Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Bielefeld hat untersucht, wie aus dem Zusammenspiel vieler Zellen ein geordneter Organismus entsteht. Die Forschenden klärten die Fähigkeit der Zellen, trotz unterschiedlicher Proteinproduktion gemeinsam die extrazelluläre Matrix (ECM) zu formen, ein netzartiges Material, das Geweben Struktur gibt und Signale überträgt. Diese Matrix spielt in vielzelligen Organismen, einschließlich des Menschen, eine zentrale Rolle, etwa in Haut, Knorpel oder Gehirn.
Die Forschenden nutzten die Grünalge Volvox carteri, einen kugelförmigen Organismus mit etwa 2000 Zellen, als Modell. Das ECM-Protein Pherophorin II wurde gentechnisch mit einem fluoreszierenden Marker aus einer Leuchtqualle versehen, um die Feinstruktur der ECM im lebenden Organismus sichtbar zu machen. Mit einem konfokalen Laserscanning-Mikroskop zeigte sich, dass Pherophorin II an den Grenzen der ECM-Kompartimente einzelner Zellen und an der Oberfläche des Organismus liegt. Trotz variierender Proteinmengen pro Zelle bleibt die kugelförmige Struktur stabil.
Die Analyse ergab, dass die Fläche der ECM-Kompartimente einer mathematischen k-Gamma-Verteilung folgt, was auf stark schwankende Proteinproduktion hinweist. Keine einzelne Zelle steuert die ECM, sondern viele Zellen wirken gleichzeitig daran, ähnlich wie bei einem Puzzle, das blind zusammengebaut wird. Die ECM bildet abgerundete oder polygonale Strukturen, die einem Schaum ähneln und sich beim Wachstum dynamisch entwickeln. Diese Selbstorganisation basiert auf biologischen, physikalischen und mathematischen Prozessen.
Die Studie entstand in Kooperation zwischen der Universität Bielefeld und dem Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics der Universität Cambridge, unter Beteiligung von Forschenden wie Benjamin von der Heyde, Eva Laura von der Heyde, Anand Srinivasan, Sumit Kumar Birwa, Steph Höhn, Armin Hallmann und Raymond Goldstein. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom Wellcome Trust und der John Templeton Foundation.
Die Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Entwicklungsbiologie und zeigen, wie Zellen ohne direkte Abstimmung komplexe Strukturen schaffen.
Originalpublikation
Benjamin von der Heyde, Anand Srinivasan, Sumit Kumar Birwa, Eva Laura von der Heyde, Steph S.M.H. Höhn, Raymond E. Goldstein and Armin Hallmann: Spatiotemporal distribution of the glycoprotein pherophorin II reveals stochastic geometry of the growing ECM of Volvox carteri. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2425759122
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