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Eine Hefezelle spürt einen Duftstoff-Gradienten auf und wächst in die Richtung der Signalquelle. Dazu benutzt sie ein Multifunktionstool (gelbe Spur), das sich entlang der Membran bewegt. © ETH Zürich

Der richtige Riecher: Multifunktionstool der Zelle

Zellen haben einen untrüglichen Riecher, der ihnen anzeigt, in welche Richtung sie wachsen müssen, um sich einer Duftquelle zu nähern. ETH-Forscher und -Forscherinnen haben nun herausgefunden, wie dieser Riecher funktioniert.

Zellen sind oft vor das Problem gestellt, dass sie von einer verheissungsvollen Duftwolke umgeben sind und in die Richtung der Duftquelle wachsen sollten. Nervenzellen beispielsweise bilden lange Fortsätze aus, die von Signalen anderer Zellen angezogen werden, so dass das Netzwerk des Nervensystems entsteht; Fresszellen erkennen die Duftstoffe von Krankheitskeimen, um sie zielgerichtet zu verfolgen und zu vernichten.

Wie aber nehmen Zellen diese Duftstoffsignale wahr, die immer schwächer werden je weiter sie von der Quelle entfernt sind? Wie "lesen" Zellen diese Signalabschwächung, fachsprachlich Signalgradient genannt, um ihr Wachstum oder ihre Bewegung in die Richtung der Signalquelle zu lenken? Für die Biologie ist es eine grundlegende Frage wie räumliche Signale wahrgenommen werden und ein bisher weitgehend ungelöstes Rätsel.

Sensor, Prozessor und Motor in einem

Nun präsentieren Forscher um ETH-Professor Matthias Peter vom Institut für Biochemie eine mögliche Lösung: Zumindest Hefezellen verfügen über ein sehr fein regulierbares Multifunktionstool, das chemische Signale erkennt und entsprechend verarbeitet sowie die richtige Reaktion, Wachstum in Richtung der Signalquelle, einleitet.

Damit riechen Hefezellen, wo sich potenzielle Geschlechtspartner in der Umgebung befinden, so dass sie zu diesen hinwachsen können. Für ihre Studie setzten die Biologen einerseits auf mikroskopische Beobachtungen, andererseits auf ein Computermodell, welches sie in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Forschern des Automatic Control Labs um Heinz Köppel (jetzt an der TU Darmstadt) entwickelten.

Proteinklumpen auf Bedarf

Vermutet die Zelle in ihrer Umgebung einen Signalgradienten, setzt sie an zufälliger Stelle der Membran das Multifunktionstool zusammen. Dieses Tool ist ein grosser Proteinkomplex aus über 100 verschiedenen Komponenten. Der Komplex ist so gross, dass er im Fluoreszenzmikroskop gesehen werden kann.

Die Forschenden nennen ihn "Polarity Site" (PS), weil dort, wo er sich ausbildet, polares Wachstum einsetzt. Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie konnten die Forschenden nun beobachten, wie die PS die Signalquelle eines Gradienten findet. Zunächst bewegt sich die PS entlang der Membran, um das nächst stärkere Signal aufzuspüren.

Sobald die PS das stärkste Signal, die grösste Menge des Signalstoffes im Gradienten, festgestellt hat, bleibt sie stehen. An diesem Ort bildet die PS nun eine Ausstülpung der Zelle aus, die in Richtung der Signalquelle weiter wächst. Natürlicherweise wird das Signal von einem Geschlechtspartner produziert und beide Zellen verschmelzen, sobald sie sich gefunden haben.

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