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Zellen unter dem Mikroskop

Forscher entdecken Membran-Code der Zelle

Die Zellmembran gehört zu den wichtigsten Strukturen der lebenden Zelle. Wiener Forscher haben nun ein bisher unbekanntes Netzwerk entdeckt, das ihren Aufbau organisiert: Der Fund könnte für die Diagnose von Alzheimer und Parkinson von Bedeutung sein.

Biologie 03.07.2015

In den Labors der Molekularbiologie werden fast täglich werden neue Details entdeckt, die zeigen, wie die kleinsten Bausteine der Organismen zusammenarbeiten. Dass man dabei grundsätzliche Organisationsprinzipien aufklärt, die eine ganze Klasse von Molekülen in der Zelle betreffen, geschieht dagegen eher selten.

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Genau das ist Forscherinnen und Forschern des Wiener Zentrums für Molekulare Medizin (CEMM) vor kurzem gelungen: Sie haben die Zusammensetzung von Zellmembranen untersucht, und sind dabei auf ein bisher völlig unbekanntes Regelwerk gestoßen, das ihren Aufbau steuert. Ihre Studie hat es im Juli auf das Titelblatt der Zeitschrift "Cell" geschafft.

Lipdmischung kein Zufall

Zellmembranen bestehen aus einer Doppelschicht sogenannter Lipid-Moleküle, die wie eine Haarnadel geformt sind. Ihre wasserabweisenden, langen Arme sind einander zugewandt und bilden in der Mitte der Doppelschicht eine Barriere für alle wasserlöslichen Teilchen, erklärt Giulio Superti-Furga, der wissenschaftliche Direktor des CEMM: "Diese Lipidmembran ist eine kleine dünne Fettschicht, mit der die wässrige Phase außerhalb der Zelle von der wässrigen Phase innerhalb der Zelle getrennt wird. Ohne sie würden wasserlöslich Substanzen willkürlich in die Zelle hinein-, beziehungsweise aus ihr herauswandern."

Die Lipide einer Zellmembran sind nicht alle gleich: Hunderte verschiedene Sorten sorgen für unterschiedliche Eigenschaften der Fetthülle. Sie haben Einfluss auf ihre Dicke oder ihre Krümmung, allen voran jedoch auf ihre Beweglichkeit.

Je nach Lipidzusammensetzung sind Membranen eher flexibel oder steif, was die Geschwindigkeit vieler biochemischer Reaktionen beeinflusst, die an ihr stattfinden. Dennoch hielt man die Lipidmischung bisher für eher einheitlich und zufällig. Die Forschungsgruppe am CEMM konnte in ihrer Studie das Gegenteil beweisen.

Funktion im Netzwerk ablesbar

"Es ist wunderbar zu sehen, dass diese Lipide doch sehr reguliert sind. Dass die Zusammensetzung nicht willkürlich ist, sondern von dem Zustand der Zelle abhängig ist - wahrscheinlich von ihrem Alter und von ihrem Stoffwechsel. Und von bestimmten Prozessen, die die Zelle stimulieren, auch sie verursachen eine Veränderung dieser Membranzusammensetzung", fasst Giulio Superti-Furga die Erkenntnisse seiner Arbeitsgruppe zusammen. Für die Studie wurden die Verteilung von 245 Lipidsorten in verschiedenen Zuständen von Zellen beobachtet.

Ringförmiges Lipid-Netzwerk

CeMM

Das Lipid-Netzwerk der Zelle

Das Ergebnis war erstaunlich: Zeichnet man die Membranmoleküle in ein Diagramm ein, und sortiert sie nach ihrem gemeinsamen Auftreten, ergibt sich daraus ein Netzwerk, dass einem geschlossenem Ring ähnelt. Ein sehr seltenes Phänomen für biologische Moleküle – Giulio Superti Furga vermutet, dass dahinter eine Art Code steckt, der Auskunft über die Funktion der Lipide gibt.

"Die meisten von diesen 245 Lipiden sind ja funktionell nicht annotiert - man wusste nicht, was sie tun. Dadurch, dass sie jetzt in diesem kreisförmigen Netzwerk sind, können wir anhand der Position im Netzwerk voraussagen, was sie ungefähr tun werden."

Krankheitsprognose möglich

Es sei mit aller Wahrscheinlichkeit ein allgemeingültiges Prinzip, das nicht nur für alle Zellen des menschlichen Körpers, sondern vermutlich auch für die meisten Tiere gilt, erklärt der Molekularbiologe. Auf Anhieb fallen ihm eine ganze Reihe an potenziellen Anwendungen ein – nicht ohne Grund: Die Zusammensetzung der Zellmembran spielt bei vielen Krankheiten eine wichtige Rolle. "Diese Struktur, die wir entdeckt haben, ist unter Umständen nützlich, um sehr viele Pathologien zu interpretieren und vorauszusagen. Darunter auch neurodegenerative Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson, vielleicht auch multiple Sklerose", so Superti-Furga.

In ersten Versuchen fand das ringförmige Diagramm bereits Verwendung: Bei Menschen mit einem seltenen Gendefekt, der die Membran beeinflusst, wurde deren Reaktion auf eine Infektion zuverlässig vorhergesagt. Bis man alle Zusammenhänge der Membranlipide mit dem Zustand ihrer Zellen kennt, werden aber noch viele Jahre vergehen, betont Giulio Superti Furga.

Die Bedeutung dieser Entdeckung schätzt er dennoch hoch ein: "Ich glaube dass sich unsere Studie in den Lehrbüchern der Biochemie wiederspiegeln wird, und zwar sehr bald. Damit ist fast eine neue Studienrichtung entstanden: nämlich das Verstehen, wieso diese Lipide so reguliert sind."

Wolfgang Däuble, Ö1 Wissenschaft

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