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Zellbiologie: Vibrierende Wände

In der mikroskopisch kleinen Welt der Zelle pulsiert buchstäblich das Leben, denn im ihrem Inneren laufen ständig chemische Prozesse ab. Kein Wunder, dass auch in die Wände dieser Basisbausteine Bewegung kommt.
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Die lebenden Zellen gleichen chemischen Fabriken im Miniaturformat, in denen sich unzählige Reaktionen auf kleinstem Raum abspielen. In spezialisierten Räumen, den Organellen, werden winzige organische Moleküle zu Proteinen, Kohlenhydraten und Nukleinsäuren zusammengefügt, Energie erzeugt und Müll entsorgt. Zudem werden Substanzen innerhalb der Zelle verschickt, durch die Biomembranen ausgeschleust oder auch aus der Umgebung "verschluckt". Kurzum: Vieles ist in den kleinsten Bauelementen in Bewegung. So auch die Zellwände, die regelrecht vibrieren.

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Saccharomyces cerevisiae | Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae) sind nahezu rund und besitzen einen Durchmesser von zwei bis zehn Mikrometern. Der Pfeil zeigt auf eine "Knospungsnarbe" auf der Oberfläche.
Das Phänomen der schwingenden Zellbegrenzungen haben Andrew Pelling und seine Kollegen an der Universität von Kalifornien in Los Angeles nun näher beleuchtet. Als Versuchsobjekt dienten ihnen Zellen der Backhefe (Saccharomyces cerevisiae), die nahezu rund sind, im Mittel einen Durchmesser von zwei bis zehn Mikrometer aufweisen und auf ihrer Oberfläche nach vollzogener Teilung häufig "Knospungsnarben" tragen. Auf Grund der dicken Wand verfügen jene Zellen über eine hohe lokale Steifheit, die es den Forschern ermöglichte, die natürliche Bewegung der Außenhülle mithilfe eines Rasterkraftmikroskops akkurat zu messen.

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Saccharomyces cerevisiae | Großaufnahme einer Hefezelle (Saccharomyces cerevisiae), die in einer Filterpore gefangen ist
Als sie die Hefezellen verschiedenen Temperaturen aussetzten, zeichnete das Gerät bei 30 Grad Celsius in etwa 70 Prozent der Beobachtungszeit ein deutlich schwingendes Signal mit einer durchschnittlichen Amplitude von ungefähr drei Nanometern auf. Gelegentlich registrierte es auch größere Ausschläge von sieben Nanometern oder kleinere von einem Nanometer. Bei Versuchsbedingungen von 22 und 26 Grad Celsius ergaben sich ähnliche Amplituden, doch die Häufigkeit der Schwingungen pro Zeiteinheit nahm ab. Zudem behandelten die Forscher die Hefezellen mit Natriumazid (NaN3) – einer Substanz, die den Stoffwechsel lähmt, indem sie die ATP-Herstellung in den Mitochondrien ausschaltet. Die mechanischen Eigenschaften der Zellwand blieben indes unversehrt.

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Rasterkraftmikroskop | Mithilfe eines Rasterkraftmikroskops gelang es den Forschern, die natürliche Schwingung der Außenhülle von Hefezellen (Saccharomyces cerevisiae) zu messen. Die gemessenen Schwingungen verwandelten sie anschließend in Geräusche.
Vergleichen Sie hierzu die Audio-Dateien unter "Medien".
Und siehe da: Als die Zellen ihre Energieproduktion einfroren, stoppten die Vibrationen. Die Bewegung von den chemisch manipulierten Gebilden zeigte nicht länger ein periodisches Verhalten und wies eine Amplitude von durchschnittlich nur 0,4 Nanometern auf. Die starke Frequenz-Abhängigkeit von der Temperatur und dem Stoffwechselzustand deutet darauf hin, dass die Schwingung biologisch angetrieben wird und ATP benötigt, folgern die Wissenschaftler. Vermutlich bringen Fracht transportierende Proteine, von denen einige an den zellulären Eisenbahnschienen, den Mikrotubuli, entlang gleiten, die Zellwand zum Schwingen – vergleichbar einem vorbeiratternden Güterzug, der die Grundmauern eines Hauses erschüttert.

Zu jenen Eiweißmolekülen zählen auch Kinesin, Dynein und Myosin, die zusammen als molekulare Motorproteine bezeichnet werden. Wahrscheinlich lösen viele molekulare Motoren, die innerhalb der Zelle zur selben Zeit arbeiten, die Vibrationen aus. Diese Bewegung – so spekulieren die Forscher um Pelling – könnte Teil eines Kommunikationsweges oder eines Pumpmechanismus sein, wodurch Nährstoffe oder Chemikalien von einer Seite der Zellwand zur anderen transportiert werden.

Da die Schwingungen der Zellwände zu klein und zu schnell sind, um sie in einem Videofilm sichtbar zu machen, wandelten die Forscher sie in Geräusche um. Wäre eine Hefezelle so groß wie ein Mensch, würde sich ihr Vibrationslärm nicht wie jemand anhören, der laute Musik schmettert, meint James Gimzewski aus dem Team. "Es würde eher wie jemand klingen, der ruhig Neuigkeiten lauscht."
21.08.2004

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 21.08.2004

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