Leben ist Logistik

Nährstofftransport als kompliziertes Tauziehen in der Zelle

>Leben bedeutet nach Ansicht des Max-Planck-Instituts (MPI) vor allem Logistik. Die Kolloid- und Grenzflächenforscher aus Potsdam haben den Transportmechanismus in den Zellen aufgeklärt und verbildlichen ihn mit einem Tauziehen.

Dynein gegen Kinesin
Irgendwie müssen Fetttröpfchen aus der Nahrung bis in die letzte Zelle gelangen und auch dort transportiert werden. Dabei helfen zwei konkurrierende Transportteams, die im Wettstreit das Fettmolekül auf den Straßen in den Zellen, den Filamenten, hin und her bewegen. Das Kinesin-Team zieht das Tröpfchen in die eine Richtung, die Biologen als Plus-Ende bezeichnen, das Dynein-Team zieht es in Richtung Minus-Ende.
Dynein und Kinesin als Eiweiß-Moleküle ziehen gleichzeitig an dem Tröpfchen, bis eines beginnt, den Kontakt zum Filament zu verlieren und mitgezogen wird. Weil so das „Siegerteam“ das Tauziehen gewinnt, wandert das Tröpfchen schließlich in eine Richtung.
Damit haben die Wissenschaftler um Melanie Müller, Stefan Klumpp und Reinhard Lipowsky die These widerlegt, dass es einen Koordinationsapparat geben muss, der jeweils nur einen der Motoren stimuliert und damit die Transportrichtung festlegt. Aber es ist der Wettbewerb, der die Richtung bestimmt und den Transport gleichzeitig in beide Richtungen zulässt.
„Solch ein bidirektionaler Transport ist sehr flexibel“, erklärt Melanie Müller. Er kann die Richtung wechseln, wenn die Fracht am Ziel vorbeigelaufen ist, oder die Transportgeschwindigkeit ändern.

Der Wettstreit molekularer Motoren: Eine blaue Fracht wird von zwei Motorteams transportiert, die entlang des gelben Filaments laufen. Das rote Motorteam zieht nach rechts zum Plus-Ende (+), das grüne nach links zum Minus-Ende (−). Wenn beide Teams ziehen (Mitte), behindern sie sich gegenseitig so stark, dass sich die Fracht kaum vorwärts bewegt. Gewinnt hingegen ein Team die Oberhand, geht es schnell voran, weil die gegnerischen Motoren vom Filament abgezogen werden.
Bild: Melanie Müller / MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Das Tauziehen hat noch einen weiteren Vorteil. Die Motoren können wirklich immer nur in eine Richtung ziehen. Dabei nehmen die stärkeren Moleküle den gegnerischen Motor in die „falsche“ Richtung mit und setzen ihn praktisch an seiner Ausgangsbasis wieder frei. So stauen sich die Moleküle nicht am Ende des Filaments und können den Transportwettstreit erneut aufnehmen.
Wenn sich einer der Motoren so durchsetzt, dass er sich immer schneller bewegt, dann reißt auch seine Verbindung zum Filament im thermischen Sturm der Moleküle ab: Das Frachtteilchen kann sich dann auch wieder rückwärts bewegen.
„Die Wahrscheinlichkeit für die Bewegung in eine bestimmte Richtung oder für den Stopp sowie die Zeiten zwischen zwei Richtungswechseln hängen stark von den Eigenschaften und der Anzahl der beteiligten Motoren ab. Dies nutzt die Zelle aus, um den Fracht-Transport zu steuern“, beschreibt die Wissenschaftlerin das scheinbare Chaos, das die Potsdamer in einer Computersimulation herausgefunden haben. Es erinnert mehr an eine überfüllte Fußgängerzone als an eine Autobahn. Und es funktioniert. Das wollen sie jetzt am Transport von Fetttröpfchen in Drosophila-Embryos in der Realität bestätigen.

Lesestoff:
Die Arbeit wurde am 17. März im PNAS veröffentlicht: Müller, Klumpp, Lipowsky: „Tug-of-war as a kooperative mechanism for bidirectional cargo transport by molecular motors“.
www.mpg.de

roRo