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Biologische Zellen sind mechanisch stabil, da sie Aktinfilamente und
Mikrotubuli besitzen, die Netzwerke und Bündel ausbilden. Diese
Architekturen werden von quervernetzenden Proteinen, die zwei klebende
Enden besitzen und damit verschiedene Filamente aneinander binden
können, zusammengehalten und kontrolliert. Will man die für diese
Prozesse verantwortlichen Kräfte verstehen, um beispielsweise die
mechanischen Eigenschaften der Architekturen zu optimieren, muss man
biomimetische Modellsysteme studieren, die allein aus Filamenten und
quervernetzenden Proteinen bestehen. Ein wichtiges Beispiel dafür ist
die Vernetzung mehrerer Filamente zu dicken Bündeln oder "Nanozöpfen",
die steifer sind und eine größere externe Last tragen können als ein
einzelnes Filament.
Doch die Vernetzung von Filamenten wird durch ihre thermische
Bewegungen gestört. Die Potsdamer Max-Planck-Wissenschaftler haben
jetzt gezeigt, dass die thermische Bewegung den Aufbau eines
Filamentbündels verhindert, sofern die Konzentration der Vernetzer
einen bestimmten Schwellwert nicht überschreitet. Dieser Schwellwert
hängt von der Filamentsteifigkeit, der Bindungsenergie der
quervernetzenden Moleküle und der Temperatur ab. Des weiteren nimmt
der Grenzwert ab, wenn die Anzahl N der Filamente innerhalb des
Bündels zunimmt, bleibt aber endlich im Limes großer N.
Biomimetische Systeme, die aus Lösungen von Aktinfilamenten und
quervernetzenden Proteinen bestehen, wurden bereits von mehreren
Arbeitsgruppen experimentell untersucht. Diese experimentellen Daten
stehen im Einklang mit den Ergebnissen der neu entwickelten Theorie,
die auf dem Wechselspiel von molekularer Vernetzung und thermischer
Bewegung beruht. Besonders interessant ist der experimentelle Nachweis
einer Schwellwertkonzentration von Quervernetzern, oberhalb derer die
Bündelung von Filamenten abrupt einsetzt. Systematische Studien der
Abhängigkeit von der Filamentanzahl stehen jedoch noch aus.
Abgesehen von ihrer Aufgabe als strukturelle Elemente können
Filamentbündel auch enorme Druckkräfte erzeugen. Diese entstehen durch
das gerichtete Wachstum der Filamente, wenn weitere molekulare
Bausteine an den Filamentenden angebaut werden. Eine wichtige
Herausforderung besteht nun darin zu beschreiben, auf welche Weise
diese Druckkräfte von der Anzahl der Filamente im Bündel abhängen.
Diese wissenschaftliche Thematik wird derzeit innerhalb des
Europäischen Netzwerks über "Aktive Biomimetische Systeme" intensiv
verfolgt
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