Hartmut Kuthan - Zufall im Leben der Zelle

Weiterhin konnte die Dynamik und Bildung des Z -Ringes aus FtsZ in einzelnen E. coli -Zellen in Echtzeit verfolgt werden. Dazu wurde FtsZ ebenfalls mit GFP fusioniert. So wurden scharfe Fluoreszenzbilder der FtsZ-Strukturen erhalten.11

Gefälle (Gradienten) von sogenannten Morphogenen spielen eine essentielle Rolle in der frühen Embryonalentwicklung der schwarzbäuchigen Taufliege ( Drosophila melanogaster ). Diese Morphogene sind Transkriptionsfaktoren, also Proteine, die abhängig von ihrer lokalen Konzentration eine Aktivierung oder Reprimierung nachgeschalteter zygotischer Entwicklungsgene bewirken. Nach dem bahnbrechenden experimentellen Nachweis eines Morphogengradienten – des Konzentrationsgefälles des Transkriptionsfaktors Bicoid vom Vorderpol in Richtung Mitte des frühen Embryos der Taufliege – wurde es eines der vorrangigen Ziele, die Bedeutung solcher Gradienten für die Entstehung embryonaler Entwicklungsmuster zu verstehen.12 Das grün fluoreszierende Protein ermöglichte auch hier, die Entstehung und Dynamik von Morphogengradienten in vivo im molekularen Detail zu untersuchen. Ein wichtiger Aspekt bestand darin, herauszufinden, wie reproduzierbar sich der Bicoid-Gradient bildet. Mit Hilfe von Bicoid-EGFP konnte diese Fragestellung in Angriff genommen werden: Der Bicoid-Gradient entsteht innerhalb von zwei Stunden nach der Befruchtung der Eizelle; in dieser Zeit durchläuft der Embryo 13 schnelle mitotische Zyklen ohne Zellwandbildung. Bemerkenswert: Die Variabilität des Gradienten ist vergleichsweise gering, der exponentiell abnehmende Proteingradient (vom Vorder- zum Hinterpol des Embryos) wird mit einer Genauigkeit von etwa 10 % von Embryo zu Embryo reproduziert. Dieser Genauigkeitsgrad zeigte sich auch für die maximalen Bicoid-Konzentrationen nach den aufeinanderfolgenden Kernteilungen, obwohl sich die Zahl der Kerne jeweils verdoppelte und sich das Kernvolumen während der frühen Embryogenese generell vergrößert. Eine ähnliche Genauigkeit der Embryo-zu-Embryo-Reproduzierbarkeit (8 %) wurde nachfolgend für die Zahl der bicoid -mRNA-Moleküle festgestellt. Eine Reproduzierbarkeit von 8 bis 10 % erscheint auf den ersten Blick nicht sonderlich beeindruckend; doch es war eine Überraschung. Erklärbar wird dieser Genauigkeitsgrad durch die große Zahl der bicoid -mRNA-Moleküle von knapp einer Million und die etwa hundertfach höhere Anzahl der Bicoid-Proteinmoleküle in zwei Stunden jungen Embryos, welche die stochastische Variabilität der Genexpression durch das statistisch-physikalisches Prinzip der zeitlichen und räumlichen Mittelung begrenzen und ausgleichen.13

In diesem Fall, wie im vorhergehend behandelten Min-System, interessieren natürlich die den geschilderten Mustern zugrunde liegenden dynamischen Prozesse. An dieser Stelle wollen wir uns nur die Rolle der Diffusion für die Bildung und Erhaltung des Bicoid-Gradienten näher ansehen. Neuere Untersuchungen bestätigten frühere Befunde, dass sich die bicoid-mRNA vorwiegend (> 90 %) und stabil innerhalb von 20 % des anterioren (vorderen) Embryovolumens lokalisiert, und dass dort das Bicoid - Protein synthetisiert wird. Somit ist es erforderlich, dass sich das Bicoid-Protein vom Syntheseort aus verteilen muss, damit sich der Gradient innerhalb des Embryos ausbilden kann; dies geschieht höchstwahrscheinlich durch einfache Diffusion.14

Nicht nur die Dynamik und Lokalisation von Proteinen, sondern auch die von mRNA-Molekülen, konnte durch die Verwendung von GFP-Varianten untersucht werden. Von besonderer Bedeutung: Wie finden einzelne exportfähige mRNA-Komplexe – Boten-Ribonukleoprotein (mRNP)-Komplexe – eine der Kernporen in der Kernmembran? Die Antwort ermöglichte wiederum der Einsatz von fluoreszierenden „Sonden“. Eindrucksvolle Ergebnisse erbrachte die Bindung einer mRNA (ß-Actin-mRNA) an multiple Moleküle einer gelb fluoreszierenden GFP-Variante (YFP). Die hierdurch erzielte Fluoreszenzverstärkung ermöglichte es, das Diffusionsverhalten einzelner mRNPs in Zellkernen lebender Zellen zu untersuchen. Diese Experimente demonstrierten in Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen anderer Arbeitsgruppen, dass mRNP-Komplexe sich mehrheitlich durch „einfache“ Diffusion, ohne Richtungsbevorzugung (isotrop), im Kernplasma bewegen. Diese Komplexe finden also eine der Kernporen, durch welche sie ins Zytoplasma gelangen, durch eine Brown’sche Irrfahrt ( Abbildung 4 ).15

Die bakterielle Zytokinese und die frühe embryonale Entwicklung von Drosphila verdeutlichen, dass in der „Mittelwelt“ mesoskopischer Größenordnung Diffusionsprozesse wesentliche Zellfunktionen erfüllen. Hierzu zählen auch intrazelluläre Transportfunktionen – wie im Falle der mRNPs in eukaryotischen Zellkernen.

ABBILDUNG 4:Zweidimensionale Irrfahrt (Monte-Carlo-Simulation). Die Schrittlängen und –richtungen wurden nach dem Zufallsprinzip bestimmt.

Für die Aufrechterhaltung intra zellulärer und inter zellulärer Lebensprozesse sind molekulare Interaktionen unabdingbar. Biochemische Reaktionspartner werden lokal durch Brown’sche Bewegung zusammengeführt; diese Mikrokollisionen gehen der spezifischen Bindung (Assoziation) von (Makro-)Molekülen an molekularen Zielorten wie den Rezeptoren voraus.

Bevor die Reaktionspartner in spezifische Wechselwirkung treten können, ist oft deren Transport erforderlich, und zwar über Entfernungen, welche die molekularen Dimensionen deutlich überschreiten. Diffusion, obwohl eine vergleichsweise langsame Form des Stofftransports, spielt auch hier eine essentielle Rolle, besonders in den Zellkompartimenten. Dies hat eine Vielzahl von Untersuchungen belegt. Wenden wir uns deshalb nun den Zeitaspekten von Diffusionsprozessen zu. Im „Standardmodell“, das Albert Einstein und Marian von Smoluchowski behandelten, wird die räumliche Ausbreitung während einer bestimmten Zeitspanne betrachtet – oder mit anderen Worten: die Entfernungen, welche die diffundierenden Teilchen oder (Makro-)Moleküle in einem vorgegebenen Zeitintervall zurücklegen. Wesentliche Charakteristika dieses theoretischen Modells sind hierbei, dass sich die ausdehnungslos angenommenen Teilchen anfänglich in einem Punkt konzentrieren und dass deren Anzahl sowie das Volumen (bei der ein- oder zweidimensionalen Diffusion entsprechend die Gerade beziehungsweise Ebene) „unendlich groß“ sind. Ferner sollen die Teilchen/​(Makro-)Moleküle unabhängig voneinander diffundieren. Praktisch werden diese Annahmen von verdünnten Suspensionen und Lösungen näherungsweise erfüllt, wobei Reflektionen oder Absorptionen an den Gefäßwänden als vernachlässigbar angesehen werden. Auf die Diffusion in (annähernd) idealen Lösungen oder Gasen bezieht sich das oben erwähnte mittlere Verschiebungsquadrat.

Alternativ können wir uns dafür interessieren, wieviel Zeit ein Teilchen oder (Makro-)Molekül (im Mittel) benötigt, um einen bestimmten Zielort in einem räumlich begrenzten Gebiet – in einem endlichen Volumen, einer umgrenzten Fläche oder einer linearen Strecke –, erstmals zu erreichen. Diese komplementäre Fragestellung wird von der Erstpassagezeit-Methode behandelt.16 Sie bietet sich an, wenn, wie in den durch Membranen begrenzten Zellorganellen, auf Zellmembranen oder DNA-Molekülen, die Volumina, Flächen oder Entfernungen endlich sind und einzelne oder wenige diffundierende (Makro-)Moleküle sowie einzelne Zielorte der spezifischen Interaktionen betrachtet werden.