Die Muster im Lebendigen lesen

Erwin Schrödinger Preis 2003 für interdisziplinäre Forschung von Physik und Biologie

Einer deutsch-amerikanischen Wissenschaftlergruppe ist es gelungen, durch Analyse von Mustern, die von der Kalziumkonzentration in lebenden Zellen gebildet werden, die Funktionsweise von Zellorganellen zu verstehen. Für diese grundlegenden Erkenntnisse erhielten der theoretische Physiker Martin Falcke vom Berliner Hahn-Meitner-Institut und die beiden Biologen Patricia Camacho und James D. Lechleiter von der University of Texas in San Antonio den Erwin-Schrödinger-Preis 2003, den der Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft für herausragende interdisziplinäre Forschung vergibt. Die Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren hat die Preisträger vorgeschlagen und wird die Auszeichnungen auf ihrer Jahrestagung am 16. Oktober in Hamburg überreichen.  

Kalziumwelle als Spiralmuster in einer Frosch-Eizelle.

Aufnahme von P. Camacho und J.D. Lechleiter, University of Texas, San Antonio.

Jeder Organismus besteht aus vielen einzelnen Zellen und jede Zelle aus zahlreichen Zellorganellen und Molekülen. Erst Kommunikation integriert die Ansammlung von Molekülen und Organellen zu einer Zelle oder Zellen zu einem Organismus. Innerhalb der Zellen wird die Information oft von Kalziumwellen übertragen - Gebieten erhöhter Kalziumkonzentration, die sich ausdehnen oder sich als wandernde Streifen durch die Zelle bewegen und dabei typische Muster bilden. Diese Muster entstehen in Wechselwirkung mit den unterschiedlichen Teilen der Zelle.

Die Arbeiten von Falcke, Camacho und Lechleitner zeigten, dass eine tiefe Einsicht in die Entstehung der Wellenmuster ein grundsätzliches Verständnis der Rolle und Funktionsweise der einzelnen Zellbestandteile erlaubt. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse führten zum Teil zur Neuinterpretation der Rolle einzelner Zellorganellen und gleichzeitig zu einer Erweiterung der physikalischen Theorie der muster-bildenden Systeme.

Betrachtet man zum Beispiel die Befruchtung einer Eizelle, so ist von entscheidender Bedeutung, dass nur eine Spermienzelle eindringt. Die gesamte Oberfläche der Eizelle muss also schnell erfahren, dass eine Befruchtung stattgefunden hat. Diese Nachricht wird von einer Kalziumwelle in der Zelle verbreitet. Wie beim Vorgang der Befruchtung gibt es zahllose Beispiele der Informationsübertragung durch Kalzium als Botenstoff. Die Kalziumsignale erfolgen dabei immer in Form einer einmaligen oder periodischen Konzentrationsänderung.

Zwei Arten von Zellorganellen - die Mitochondrien und das endoplasmische Retikulum - wirken als Kalziumspeicher, welche Kalzium-Ionen an die Zellflüssigkeit sowohl abgeben als auch aus ihr wieder aufnehmen können. Dabei hängen die abgegebenen und wieder aufgenommenen Mengen in einer komplizierten Weise von der bereits vorhandenen Kalziumkonzentration in der Zelle ab. Kanäle, die das Kalzium aus dem endoplasmischen Retikulum freisetzen, werden bei einem leichten Konzentrationsanstieg durchlässiger, sind aber bei einer sehr hohen Konzentration vollständig geschlossen. Die Eigenschaften der Wellen werden damit durch ein Wechselspiel zwischen der Konzentration in der Zellflüssigkeit und der Durchlässigkeit der unterschiedlichen Kanäle bestimmt.

Kalziumwellen können dynamische Muster bilden, wie zum Beispiel rotierende Spiralen. Die Existenz eines Zusammenhangs zwischen der Form und den Eigenschaften der Muster und dem Verhalten der Zellorganellen war Biologen aus ihren Experimenten schon seit längerer Zeit bekannt. Erst in der Zusammenarbeit des theoretischen Physikers Martin Falcke mit den Biologen Patricia Camacho und James D. Lechleiter gelang jetzt die genauere Aufklärung der Beziehung zwischen Mustern und Zellorganellen.

Falcke erkannte, dass wichtige Informationen gewonnen werden können, wenn es gelingt, das Verschwinden der Spiralmuster in bestimmten Situationen zu erklären. Seine Berechnungen erlaubten es, das Wechselspiel zwischen den Eigenschaften der Wellen - ihrer Länge, Periode und Amplitude - mit dem Verhalten des Kalziumaustausches in Zusammenhang zu bringen, wobei die Ergebnisse immer wieder mit den Resultaten der experimentellen Untersuchungen von Camacho und Lechleiter verglichen wurden. Es stellte sich heraus, dass die Kalziumaufnahme und -abgabe der Mitochondrien bestimmte Perioden spiralförmiger Wellen nicht zulässt. Mitochondrien wirken also wie ein Frequenzfilter. Da die Information, die durch das Kalziumsignal übertragen wird, in der Frequenz kodiert ist, ergibt sich hier eine neue Rolle der Mitochondrien in der Informationsverarbeitung der Zelle.

Die Existenz "verbotener" Perioden war in der Erforschung nicht-linearer Systeme noch nicht bekannt, was belegt, dass beide Seiten der Kooperation gleich stark profitierten: der Theoretiker half, die Ergebnisse biologischer Experimente zu verstehen, die Biologen dagegen lieferten Anregungen für die physikalische Forschung, die zu neuartigen Ergebnissen führten.

Die Untersuchung von Abläufen in biologischen Systemen mithilfe von mathematischen Modellen gehört zu den besonders aktuellen und fruchtbaren Formen der interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Physikern und Biologen. Die Preisträger stellen sich mit ihrer Arbeit in die Tradition Erwin Schrödingers, der als theoretischer Physiker die Existenz eines genetischen Codes, wie er sich in Form der DNA in unseren Zellen wieder findet, mehrere Jahre vor dessen experimenteller Entdeckung vorausgesagt hat. Mit seinem Buch "Was ist Leben?" hat er zahlreiche Forscher angeregt, sich mit den Verbindungen zwischen Physik und Biologie zu beschäftigen. Fragen im Grenzbereich von Biologie und Physik sind seit zwei Jahren ein Schwerpunkt der Abteilung Theoretische Physik am Hahn-Meitner-Institut Berlin.

Dr. Martin Falcke, theoretischer Physiker am Hahn-Meitner-Institut Berlin


16. Juli 2003