Wie entsteht durch das kollektive Zusammenspiel von vielen einzelnen Zellen ein perfekt geformter Organismus? Diese Frage steht im Zentrum einer neuen Studie, die in der renommierten Fachzeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS, USA) erschienen ist. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Bielefeld hat untersucht, wie Zellen trotz uneinheitlicher Proteinproduktion gemeinsam eine geordnete Struktur außerhalb ihrer selbst erzeugen: die extrazelluläre Matrix (ECM).

„Indem wir ein wichtiges Strukturprotein sichtbar gemacht haben, konnten wir Prinzipien der Selbstorganisation im lebenden Organismus aufdecken“, erklärt Professor Dr. Armin Hallmann von der Universität Bielefeld, Letztautor der Studie. Die Forschenden arbeiteten mit der Grünalge Volvox carteri, einem kugelförmigen, vielzelligen Modellorganismus mit etwa 2000 Zellen.

Sichtbar gemacht: Die ECM im lebenden Organismus
Die extrazelluläre Matrix ist ein netzartiges Material, das Zellen nach außen absondern. Sie gibt Geweben Struktur, überträgt Signale und spielt eine zentrale Rolle in der Entwicklung vielzelliger Organismen, auch beim Menschen, etwa in Haut, Knorpel oder dem Gehirn.

Im Rahmen der Studie wurde das ECM-Protein Pherophorin II gentechnisch mit einem fluoreszierenden Marker versehen, der ursprünglich aus einer Leuchtqualle stammt. Dadurch ließ sich die Feinstruktur der ECM im lebenden Organismus sichtbar machen und das in hoher Auflösung mithilfe eines sogenannten konfokalen Laserscanning-Mikroskops (CLSM).

Das Ergebnis: Pherophorin II befindet sich an Grenzstrukturen der ECM, dort, wo ECM-Kompartimente der einzelnen Zellen aneinanderstoßen und an der Oberfläche des Organismus. Obwohl jede Zelle die Proteine für die ECM in unterschiedlicher Menge liefert, bleibt die äußere Struktur des Organismus stabil und kugelförmig.

Geordnete Struktur trotz starker Variabilität der Zellen
Die Wissenschaftler*innen fanden heraus, dass die Fläche der ECM-Kompartimente einer mathematischen k-Gamma-Verteilung folgt, was ein Hinweis auf stark schwankende Proteinproduktion zwischen den einzelnen Zellen ist. Keine einzelne Zelle kontrolliert den Aufbau der ECM. Viele Zellen wirken gleichzeitig daran mit, gewissermaßen mittels Fernsteuerung, da die ECM außerhalb der Zellen entsteht. „Man kann sich das vorstellen wie viele Menschen, die blind an einem gemeinsamen Puzzle bauen und es gelingt trotzdem“, so Hallmann. Die ECM-Struktur, die sich um die Zellen bildet, besitzt abgerundete oder polygonale Begrenzungen, die sich beim Wachstum dynamisch entwickeln, wodurch die Struktur in ihrer Geometrie einem Schaum ähnelt.

Diese Ergebnisse liefern neue Einblicke in die Entwicklungsbiologie: Wie schaffen es Zellen, gemeinsam äußere Strukturen zu erzeugen, ohne direkt aufeinander abgestimmt zu sein? Die Antwort liegt offenbar in der Selbstorganisation, einem Zusammenspiel biologischer, physikalischer und mathematischer Prozesse.

Die Studie entstand in enger Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen der Universität Bielefeld und dem Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics (DAMTP) der Universität Cambridge. Neben Prof. Hallmann forschten Dr. Benjamin von der Heyde und Dr. Eva Laura von der Heyde (Universität Bielefeld) sowie Anand Srinivasan, Dr. Sumit Kumar Birwa, Dr. Steph Höhn und Prof. Raymond Goldstein (Cambridge).
Professor Raymond Goldstein betont: „Diese Arbeit zeigt die starke Synergie, die entsteht, wenn Biolog*innen, Physiker*innen und Mathematiker*innen gemeinsam versuchen, die Geheimnisse des Lebens zu verstehen.“ Gefördert wurde die Forschung unter anderem vom Wellcome Trust und der John Templeton Foundation.