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Molekularer Transport mit mehreren
Motoren: Zusehen sind verschiedene gebundene Zustände eines
Frachtpartikels mit mehreren molekularen Motoren, die sich entlang
eines Filaments bewegen. Jeder Motor ist in der Lage, sich vom
Filament zu lösen oder an dieses zu binden. Dies bedeutet, dass
die Anzahl der Zugmotoren, die gerade die Fracht transportieren,
mit der Zeit zufällig variiert. Solange noch mindestens ein Motor
gebunden ist, bleiben die ungebundenen Motoren in der Nähe des
Filaments und kommen nach relativ kurzer Zeit wieder mit dem
Filament in Kontakt.
Bild: Max-Planck-Institut für
Kolloid- und Grenzflächenforschung
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Molekulare Motoren sind die "Nano-Traktoren"
für alle Frachten, die in den Zellen eines Organismus transportiert
werden. Sie bewegen sich schrittweise entlang der Filamente des
Zytoskeletts, indem sie die Energie, die durch die Hydrolyse von ATP
entsteht, als eine Art Treibstoff für die Fortbewegung nutzen. Dabei
bewegen sich die Motorproteine Kinesin bzw. Dynein entlang von
Mikrotubuli, Myosine dagegen entlang von Aktinfilamenten. Die
Schrittlänge der Motoren beträgt hier etwa 10 Nanometer. Während die
Motoren an den Filamenten entlang marschieren, bewegen sie
Frachtpartikel, die viel größer sind als sie selbst. Neben ihrer
vitalen Bedeutung für die Funktionsweise von Zellen lassen diese
molekularen Motoren viele Anwendungsmöglichkeiten erwarten. Als
biomimetische Transportsysteme nehmen sie künftig sicherlich eine
Schlüsselrolle in der aufkommenden Bio-Nanotechnologie ein.
Der aktive, durch molekulare Motoren angetriebene Transport ist
besonders wichtig für Nervenzellen oder Neuronen. Diese Zellen
besitzen lang ausgestreckte Kompartimente, so genannte Axone, die den
Zellkörper mit Synapsen verbinden, die wiederum Nervensignale von
einem Neuron zum anderen übermitteln. Die Länge der Axone kann mehrere
Zentimeter und manchmal sogar Meter erreichen, wie jene Axone, die
unsere Finger- oder Fußspitzen mit dem Rückenmark verbinden. Innerhalb
dieser Axone wirken die Mikrotubuli als Schienen, auf denen dann die
molekularen Motoren ihr Frachtgut - wie mit Neurotransmittern gefüllte
Vesikel - transportieren.
Während des letzten Jahrzehnts ist das Wissen über molekulare Motoren
stark gestiegen. Dies ist hauptsächlich der Entwicklung
leistungsfähiger Einzelmolekülexperimente und biomimetischer
Modellsysteme zu verdanken, die das systematische Studium molekularer
Motoren außerhalb von Zellen ermöglichen. Ein Beispiel dafür ist das
so genannte "bead assay"-Kügelchenexperiment, bei dem Filamente
unbeweglich auf einer Oberfläche angeordnet sind und molekulare
Motoren Latexkügelchen entlang dieser Filamente bewegen. Die Bewegung
dieser Kugeln kann unter dem Mikroskop beobachtet werden.
Hierbei stellte sich heraus, dass molekulare Motoren - im Unterschied
zu Eisenbahnen oder Autos - die Tendenz haben, von der Schiene oder
Straße abzukommen und anschließend Zufallsbewegungen in der sie
umgebenden wässrigen Lösung auszuführen. Dieses Phänomen ergibt sich
aus ihrer winzigen Größe im Nanometerbereich, die sie anfällig macht
für thermische Störungen. Daher kann sich ein einziger molekularer
Motor nur für eine relativ kurze Zeit - etwa eine Sekunde - auf dem
Filament halten. Während dieser Zeit legt dieser Motor eine Entfernung
von ungefähr einem Mikrometer zurück, was nur einen winzigen Teil (ca.
1/10.000) der langen Transportdistanz von Frachtpartikeln in Axonen
ausmacht. Anders ausgedrückt schafft der einzelne Motor nur einen
Kurzstreckensprint, während das gesamte Frachtgut einen Marathon
zurücklegen muss.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und
Grenzflächenforschung in Potsdam haben jetzt eine einfache Lösung für
dieses Rätsel gefunden. Wird die Fracht von mehreren Motoren
gleichzeitig gezogen (s. Abb.), so bleibt jeder Motor, der sich vom
Filament ablöst, in dessen unmittelbarer Nähe, solange Fracht und
Filament noch mit mindestens einem Motor verbunden sind. In dieser
Situation ist der freie Motor in der Lage, erneut an das Filament zu
binden und dann den Transport des Frachtguts fortzusetzen. Im
Gegensatz zu menschlichen Sprintern gibt es also bei molekularen
Motoren auch nach vielen aufeinanderfolgenden Läufen keine
Ermüdungserscheinungen.
Der entdeckte Mechanismus wurde von einem neuen theoretischen Modell
abgeleitet, das zwischen den verschiedenen gebundenen Zuständen der
Frachtpartikel unterscheidet und die Übergänge zwischen diesen
Zuständen beschreibt. Unter Benutzung dieses Modells waren die
Max-Planck-Wissenschaftler in der Lage, verschiedene
Transporteigenschaften, wie die durchschnittliche Geschwindigkeit oder
die Lauflänge der Frachtpartikel, als Funktion der maximalen Zahl der
Zugmotoren zu berechnen. Für Kinesin-Motoren zeigen diese
Berechnungen, dass bereits sieben bis acht Motoren für den Transport
über eine Entfernung von mehreren Zentimetern ausreichen. Ein
Frachtpartikel, das von zehn Motoren gleichzeitig gezogen wird, kann
sogar eine durchschnittliche Strecke von ungefähr einem Meter
zurücklegen.
Bewegen sich die molekularen Motoren entgegen einer externen
Lastkraft, wird diese Kraft unter den Zugmotoren aufgeteilt. In der
Folge sinkt die Geschwindigkeit des Frachtguts. Darüber hinaus steigt
mit der Kraft, die auf jeden Zugmotor einwirkt, die
Wahrscheinlichkeit, dass sich der Motor vom Filament ablöst. Je mehr
Motoren sich wiederum ablösen, desto größeren Kräften sind die
verbleibenden Zugmotoren ausgesetzt, so dass die Wahrscheinlichkeit
einer Ablösung immer weiter steigt. Das führt zu einer dominoartigen
Abfolge von Ablöseprozessen und zu einer stark nichtlinearen
Abhängigkeit der Frachtgeschwindigkeit von der externen Lastkraft.
Ähnliche Dominoeffekte erwarten die Forscher bei noch komplexeren
Situationen, wenn das Frachtgut von verschiedenartigen molekularen
Motoren bewegt wird.
Alle von der neuen Theorie vorausgesagten Transporteigenschaften
lassen sich in Experimenten überprüfen, die auf bereits vorhandene
Untersuchungstechniken für einzelne Motoren zurückgreifen. So stehen
erste experimentelle Befunde aus dem Max-Planck-Institut für Kolloid-
und Grenzflächenforschung in Übereinstimmung mit den theoretischen
Voraussagen. Darüber hinaus wird die quantitative Theorie es künftig
ermöglichen, biomimetische Transportsysteme für
lab-on-a-chip-Anwendungen zu kreieren: So könnten molekulare Motoren
ganz bestimmte Molekülen gezielt zu spezifischen Reaktionsorten auf
dem Chip transportieren. Je nachdem, wie die Filamente in solchen
Systemen angeordnet sind, kann man über die Variation der Laufstrecke
von molekularen Transportern gezielt steuern, wie Reagenzien zu ganz
bestimmten Zielorten gebracht oder alternativ verteilt werden.
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