Eine Zelle kann an ihrer Oberfläche plötzlich eine große, abgerundete Ausstülpung bilden, als würde sich ihre Membran an einer Stelle aufblähen. Forschende von RIKEN haben dieses Verhalten in stark vereinfachten künstlichen Zellen nachgebildet. Das Experiment ermöglicht zu beobachten, welche physikalischen Mechanismen ausreichen, um diese Formveränderung auszulösen – ohne die zahlreichen Reaktionen, die gleichzeitig in einer lebenden Zelle ablaufen.
Diese Ausstülpung wird als „Bleb“ bezeichnet. Sie entsteht, wenn sich die Membran lokal von der sie stützenden Schicht löst und der Innendruck sie nach außen drückt. Lebende Zellen nutzen diese Art der Verformung unter anderem, wenn sie sich fortbewegen oder ihre Form verändern.
Zeitaufnahmen aus der konfokalen Mikroskopie eines Liposoms, die die Bildung und Ausdehnung einer Vesikel-Ausstülpung zeigen
Die direkte Untersuchung des Phänomens in einer Zelle stellt ein Problem dar: Sehr viele Bestandteile wirken gleichzeitig zusammen. Deshalb entwickelten die Forschenden ein vereinfachtes Modell. Ihre künstliche Zelle ist im Wesentlichen ein Vesikel, also eine kleine, von einer Membran umschlossene Tasche, die im Prinzip mit der Membran vergleichbar ist, die eine Zelle abgrenzt.
Das Ergebnis ist sichtbar: Auf diesem Vesikel kann sich eine große Ausstülpung bilden.
Um diese Veränderung auszulösen, bildete das Team im Inneren eine mit der Membran verbundene mechanische Schicht nach. In einer echten Zelle wird diese Funktion unter anderem vom Zytoskelett übernommen, einem Netzwerk aus Filamenten, das dazu beiträgt, ihre Form zu erhalten und zu verändern. Das Modell ermöglicht, die auf diese Hülle und die Membran wirkenden Kräfte getrennt voneinander zu kontrollieren.
Wenn sich das Gleichgewicht zwischen diesen Elementen verändert, kann sich ein Teil der Membran von seiner inneren Stütze lösen. Der im Vesikel enthaltene Druck drückt diesen Bereich dann nach außen. Die Ausstülpung wächst und konzentriert einen Teil der verfügbaren Membran. Das Phänomen zeigt, dass eine spektakuläre Veränderung nicht unbedingt eine lange Kette biologischer Reaktionen erfordert.
Diese Vereinfachung hilft dabei, die möglichen Ursachen voneinander zu trennen. In einer lebenden Zelle wirken Proteine, Membran, Innendruck und Zytoskelett ununterbrochen zusammen. Hier lassen sich die Parameter direkter verändern. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können daher bestimmen, welche physikalischen Eigenschaften die Entstehung einer Ausstülpung begünstigen und welche ihr Wachstum begrenzen.
Die Bedeutung geht über die bloße äußere Form einer Zelle hinaus. Membranverformungen spielen bei der Zellwanderung, der Zellteilung und verschiedenen anderen Verhaltensweisen eine Rolle. Um ihren Ursprung zu verstehen, muss unterschieden werden, was aus biochemischen Reaktionen hervorgeht und was einfach aus den auf eine flexible Hülle wirkenden Kräften entstehen kann.
Das Modell bleibt bewusst sehr viel einfacher als eine echte Zelle. Es bildet weder alle ihre Bestandteile noch sämtliche Regulationsmechanismen nach. Diese Einschränkung ist zugleich sein experimenteller Vorteil: In künftigen Experimenten können schrittweise bestimmte biologische Elemente hinzugefügt und deren Einfluss auf Entstehung, Größe und Dauer dieser großen Membranausstülpungen gemessen werden.