Forscher des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) in Göttingen, Deutschland, und der Technischen Universität Delft, Niederlande, haben eine neue theoretische Methode zur Untersuchung von Gemischen aus vielen verschiedenen Molekülen entwickelt. Sie analysierten, wie die Moleküle interagieren, um zuverlässig verschiedene Tröpfchen zu bilden, wie dies kontinuierlich in lebenden Zellen geschieht. Mit diesem Modell lässt sich erstmals die Bildung bestimmter Tröpfchen auf Basis vieler interagierender Moleküle vorhersagen. Die Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences.

Der theoretische Physiker David Zwicker und die Biophysikerin Liedewij Laan interessieren sich für das Verständnis der Geheimnisse des Lebens, insbesondere der grundlegenden Funktionsweise lebender Zellen. „Ich bin immer wieder überrascht, dass zelluläre Prozesse funktionieren, denn eine Zelle besteht aus Tausenden verschiedener Moleküle, die alle zusammenarbeiten müssen, ohne sich gegenseitig zu stören“, sagt Zwicker. Wissenschaftler haben ein Computermodell entwickelt, das komplexe Flüssigkeiten untersuchen kann, wie die Flüssigkeit in einer Zelle. „Trotz ihrer komplexen chemischen und physikalischen Natur sind Moleküle in Zellen oft in Tröpfchen organisiert“, fügt Laan hinzu. „Mit unserem Ansatz sind wir in der Lage, die Bildung dieser Tröpfchen nachzubilden und eröffnen damit neue Untersuchungsmöglichkeiten zur Funktionsweise dieses Mechanismus“, erklärt Zwicker.

Biologische Zellen sind unglaublich komplexe Maschinen, die auf Tausende verschiedener Moleküle angewiesen sind, um zuverlässig zu funktionieren und zu interagieren. Um Moleküle zu orchestrieren, werden sie innerhalb von Zellen in verschiedene Kompartimente unterteilt. Da sich die Umgebung und der innere Zustand von Zellen ständig ändern, müssen sie robust geformt und aufrechterhalten werden. Die meisten bekannten Kompartimente, einschließlich des Kerns und der Mitochondrien, sind von Membranen umgeben, die als Barrieren dienen, die ihre Form definieren und ihre Zusammensetzung kontrollieren. Viele kleinere Kompartimente haben jedoch keine Membran und verhalten sich daher oft dynamischer. Solche Kompartimente wurden in tierischen, pflanzlichen und bakteriellen Zellen gefunden. Sie können sich spontan bilden und die Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Molekülen steuern ihre Zusammensetzung.

Um zu verstehen, wie sich eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle in solchen membranlosen Kompartimenten organisieren, untersuchten Zwicker und Laan theoretisch den physikalischen Prozess der Tröpfchenbildung. Bisher war die zugrunde liegende Theorie nur für den einfachen Fall von zwei Arten von Partikeln gut verstanden, wie z. B. Öl, das sich in Salatdressing von Wasser trennt. Um eine realistischere zelluläre Umgebung mit einer größeren Anzahl molekularer Wechselwirkungen zu untersuchen, führten die Forscher eine numerische Methode ein, die die Zusammensetzung von Tröpfchen vorhersagt.

Der neue numerische Ansatz eröffnet die Möglichkeit, Schlüsselfragen zu beantworten, einschließlich der Anzahl unterschiedlicher robust gebildeter Tröpfchen. „Die Kernidee ist, dass über Milliarden von Jahren der Evolution die Wechselwirkungen zwischen Zellmolekülen optimiert wurden, um die richtigen Tröpfchen zu bilden“, erklärt Zwicker. Um dies im Computer nachzuahmen, stimmten die Forscher die Wechselwirkungen mithilfe mehrerer Generationen von Mutationen und Selektionen ab, bis sich eine bestimmte Anzahl von Tröpfchen bildete. Interessanterweise ergeben sich bei der vordefinierten Anzahl unterschiedlicher Tröpfchen viele verschiedene Arten von Wechselwirkungen fast perfekt. Laan kommentiert: „Wir waren begeistert, als wir feststellten, dass wir diese Mischungen tatsächlich reproduzieren konnten. Noch spannender für die Wissenschaft ist vielleicht die Tatsache, dass wir nicht genau verstehen, wie es funktioniert. Aber jetzt sind wir dem Versuch, diese Geheimnisse zu verstehen, viel näher gekommen des Lebens.“

Zwicker weist darauf hin, dass ihre Forschung Teil eines größeren Paradigmenwechsels in der Biologie ist: „Bisher haben Forscher eher eher starke Wechselwirkungen zum Beispiel zwischen zwei Proteinen untersucht, weil sie ziemlich robust sind und daher heutzutage leichter Tröpfchen bilden Viel schwächere Wechselwirkungen werden zunehmend untersucht, sowohl theoretisch als auch experimentell, weil sie eine wichtige Rolle innerhalb von Zellen zu spielen scheinen, aber sie sind viel schwieriger zu analysieren, weil diese schwachen Wechselwirkungen durch Temperatur, Säuregehalt, Salzkonzentration und viele andere Faktoren gestört werden können.“ Die vorliegende Arbeit legt nahe, dass komplexes Verhalten, wie etwa die Tröpfchenbildung, selbst aus solch schwachen Wechselwirkungen robust hervorgehen kann.