Wie Zellen Kondensation nutzen, um Gewebe fest zu versiegeln

Tight Junctions sorgen dafür, dass unsere Haut und Organe dicht und funktionsfähig bleiben. Forschende haben nun entdeckt, dass sich diese Verbindungen wie Flüssigkeiten verhalten und so ihre Schutzeigenschaften erhalten.

Tight Junctions ähneln einer Fuge zwischen Fliesen. Sie sind Gürtel, die die Oberseite jeder Zelle umgeben und sich mit den Nachbarzellen verbinden, um eine dichte Verbindung zwischen ihnen zu bilden. „Im Gegensatz zur Fuge zwischen Fliesen oder Mörtel in einer Mauer sind Tight Junctions dynamisch. Unsere Haut oder Organe sind weich und die Zellen verändern ständig ihre Form. Tight Junctions müssen sich an die Zellformveränderungen anpassen und dennoch in der Lage sein, die Lücken zu schließen“, erklärt Prof. Alf Honigmann, Leiter der Biophysik und Forschungsgruppenleiter am BIOTEC. „Wie Tight Junctions ein so robustes und dennoch flexibles Material um den Zellumfang herum bilden können, war eine faszinierende wissenschaftliche Frage.“

Kondensation auf einer Oberfläche

Um zu verstehen, wie sich diese Dichtungen bilden, verwendete das Team von Honigmann biophysikalische Methoden, um den Prozess in Echtzeit zu beobachten. Sie entwickelten eine Möglichkeit, die Bildung von Tight Junctions nach Belieben chemisch ein- und auszuschalten. Außerdem markierten sie die Dichtungsproteine mit einem fluoreszierenden Marker. Zusammen ermöglichte dies die Beobachtung der Tight-Junction-Bildung in Echtzeit mithilfe der hochauflösenden Mikroskopie.

In Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern unter Leitung von Frank Jülicher am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme (MPI-PKS) in Dresden konnte die Gruppe zeigen, dass die Selbstorganisation von Tight Junctions durch ein physikalisches Phänomen namens Benetzung angetrieben wird.

„Es ist faszinierend, dass sich diese Tight-Junction-Proteine sehr ähnlich wie Wasser verhalten. Wenn wir unsere Beobachtungen und die theoretische Physikmodellierung zusammenführen, erhalten wir im Wesentlichen den physikalischen Prozess der Flüssigkeitskondensation auf einer Oberfläche“, sagt Dr. Karina Pombo-García, die Forscherin hinter dem Projekt und jetzt Forschungsgruppenleiterin am Rosalind Franklin Institute in England.

Die Tight-Junction-Proteine binden an die Oberfläche der Zellmembran an der Grenzfläche, an der sich die Zellen berühren. Wenn die Anzahl der dort gebundenen Proteine einen bestimmten Schwellenwert erreicht, kondensieren die Proteine zu einer Flüssigkeit, die schrittweise zu einem Tropfen auf der Zelloberfläche wächst. Schließlich verlängern sich diese Tropfen und berühren sich gegenseitig, um einen gleichmäßigen Gürtel um die Zellen zu bilden. Auf diese Weise dichten Tight Junctions die Räume zwischen den Zellen ab, um Haut und Organe luftdicht zu machen.

„Vielleicht hat jeder das schonmal im Winter gesehen. Kleine Wassertropfen erscheinen auf einem kalten Fenster. Es ist genau das, aber auf molekularer Ebene“, fügt Pombo-García hinzu.

Flüssigkeiten aus Proteinen

Bereits 2017 begann das Honigmann-Team zu vermuten, dass Tight-Junction-Proteine sich wie Flüssigkeiten verhalten könnten. „Wir haben viel Mühe darauf verwendet, herauszufinden, wie man diese flüssigkeitsartigen Eigenschaften messen und beschreiben kann“, sagt Honigmann. „Glücklicherweise waren wir zur richtigen Zeit am richtigen Ort.“

Die frühen Arbeiten, die zu dieser Entdeckung führten, wurden am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) in Dresden durchgeführt. Forschende am MPI-CBG sind Wegbereitende der Kondensatbiologie, dem neu entdeckten Zweig der Biologie, der sich auf die Bildung großer Ansammlungen von Proteinen mit flüssigkeitsartigen Eigenschaften konzentriert.

„Die Kondensatbiologie ist ein vielversprechendes Forschungsfeld, weil es die Lücke zwischen den Skalen schließt. Eines der allgemeinen Probleme in der Biologie ist das Verständnis, wie Strukturen wie Zellorganellen aus der Vielzahl molekularer Wechselwirkungen im Zytoplasma entstehen. Wir wissen jetzt, dass bestimmte Biomoleküle sich selbst zu Materialien wie Flüssigkeiten und Gelen organisieren können. Dies ermöglicht es uns, gut verstandene physikalische Konzepte wie Kondensation und andere Phasenübergänge zur Beschreibung der Strukturbildung in der Biologie anzupassen“, schließt Honigmann.