Die Maschinerie des Lebens

Jede Zelle in unserem Körper ist eine ungeheuer komplexe Ansammlung biologischer Maschinen, die die Wissenschaft noch immer nicht vollständig verstanden hat. Im Jahr 2022 kamen Assistant Professor Anđela Šarić und ihr Team an das Institute of Science and Technology (ISTA), um die Maschinerie des Lebens in unseren Zellen zu untersuchen. Sie verwenden Computermodelle basierend auf der Physik von Molekülen, um komplizierte Prozesse wie Zellteilung zu simulieren.

Anđela Šarić: Wir konzentrieren uns im Moment auf die kleinste Einheit des Lebens – die Zelle – und auf die Zellteilung als einen Schlüsselprozess. Zellteilung ist die Grundlage für die Vermehrung des Lebens. In allen Reichen der Biologie, von kleinen Organismen wie Bakterien bis hin zu Tieren und Menschen, findet Zellteilung statt. Es verschiedene Wege, wie eine Zelle geteilt werden kann, die alle leicht unterschiedlich funktionieren. In meiner Forschung betrachte ich die Zellteilung als einen physikalischen Prozess. Wie nimmt man eine weiche Zelle – im Grunde ein dickflüssiges Tröpfchen – und teilt sie in zwei Teile? Und wie macht man das zuverlässig, immer und immer wieder?

Stellen wir uns vor, wir würden in eine Zelle im menschlichen Körper hineingeschrumpft werden. Was würden wir während der Zellteilung sehen?

Das würden wir alle gerne wissen! Wir kennen den Anfang und das Ende der Zellteilung: Zuerst hat man ein unordentliches Tröpfchen und dann hat man zwei. Der Prozess in der Mitte ist allerdings sehr kompliziert.

In allen Reichen des Lebens gibt es Proteine, die sich selbst zu Filamenten organisieren. Die Proteine verbinden sich und bilden Filamente, die sich dann von innen um den Bauch der Zelle wickeln. Das ist ein einfaches Bild, aber natürlich gibt es bei diesem Prozess viele Regulatoren und zusätzliche Akteure, die dafür sorgen, dass alles am richtigen Ort, zur richtigen Zeit und ohne Fehler stattfindet. Sie sorgen auch dafür, dass die beiden Zellen am Ende meistens ungefähr gleich groß sind. Wir würden uns das Ganze gerne in perfekter Ordnung und sehr symmetrisch vorstellen, aber das Leben ist ziemlich chaotisch. Dadurch wird es resistent gegen viele Arten von äußeren Einflüssen und kann auf sie reagieren.

Sie untersuchen nicht nur gegenwärtige biologische Systeme, sondern auch deren Entwicklungsgeschichte. Wie kann man in der Zeit zurückgehen, um frühere Phasen der Evolution zu sehen?

Zusammen mit unseren Kolleg:innen der Baum-Forschungsgruppe in Cambridge untersuchen wir evolutionär ältere Zellen. Diese Zellen leben heute noch, haben sich aber vor unseren Zellen entwickelt. Ein Großteil unserer Lebensmaschinerie hat ihren Ursprung in diesen alten Zellen, insbesondere die Zellteilung. Neuere Zelltypen haben eine Vielzahl von Komponenten, die sich alle in verschiedenen Verhältnissen und Formen miteinander verbinden können. In den älteren Zellen gibt es viel weniger Komponenten, was es einfacher macht, sie zu untersuchen und zu modellieren, während die Physik des Prozesses immer noch dieselbe ist. Im Laufe der Milliarden Jahre an Evolution wurde diese Maschinerie in den neueren Zellen immer komplexer, aber sie erfüllt immer noch dieselbe Aufgabe. Auf diese Weise können wir durch das Studium der einfacheren Prozesse in den älteren Zellen neue Erkenntnisse über unsere eigenen Zellen gewinnen.

Wenn die biologische Maschinerie in unserem Körper versagt, kann dies zu Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer führen. Wie helfen uns Ihre Modelle, diese zu verstehen?

Leben funktioniert, indem es ständig die Strukturen auf- und wieder abbaut, die uns lebendig machen. Bei diesen Krankheiten werden die falschen Strukturen auf- aber nicht wieder abgebaut und verursachen Probleme. In unseren Modellen haben wir untersucht, wie sich solche Strukturen bilden, wie sie sich ausbreiten, und dann unsere Ergebnisse mit Experimenten verglichen, um die physikalischen Prozesse hinter diesen Krankheiten besser zu verstehen.

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Computersimulation der Bildung von Amyloidfibrillen. Die Amyloidfibrillen (in rot) entstehen auf der Oberfläche von Zellmembranen, ein Prozess, der bei einer Reihe von neurodegenerativen Krankheiten eine Rolle spielt. © Anđela Šarić

Bei der Modellierung eines realen Phänomens müssen Wissenschafter:innen immer einige Vereinfachungen vornehmen. Wie bauen Sie Ihre Modelle auf und wie gehen Sie mit deren Grenzen um?

Ja, jedes Modell ist eine Vereinfachung. Das ist die Definition eines Modells und nur so ist es auch nützlich. Wir können einfach nicht alle verschiedenen Teile, Kräfte und Parameter eines komplexen Phänomens in unsere Überlegungen oder in ein Modell einbeziehen. Das funktioniert vor allem dann nicht, wenn viele dieser Kräfte und Parameter nicht für das Verhalten verantwortlich sind, an dem wir interessiert sind. Unser Philosophie ist es, ein minimales Modell zu finden, das die Komplexität reproduzieren kann, die wir in der Natur sehen, um dann die wichtigsten treibenden Kräfte zu identifizieren und Vorhersagen zu treffen. Selbst in diesem Chaos des Lebens sollte man, wenn man bestimmte Parameter verändert, eine Reaktion sehen, die uns etwas über die zugrundeliegenden Mechanismen lehrt.

Die Naturwissenschaften basieren auf dem Dialog zwischen Theorie und Experiment. Wie arbeiten Sie mit experimentellen Forscher:innen zusammen und welche Art von Feedback erhalten Sie von ihnen?

Die Zusammenarbeit mit Experimentalbiolog:innen ist absolut entscheidend. Es ist faszinierend, was für ein großes Gespür für die Physik des Lebens diese haben können. Wir versuchen, Modelle aus minimalen Bausteinen zu erstellen, die auf unseren Diskussionen mit den Biolog:innen basieren, und sehen uns dann an, ob wir darin ein natürliches Verhalten erhalten. Wir überlegen hin und her: Was fehlt im Modell, was können wir ignorieren und was müssen wir noch hinzufügen?

Sie haben ursprünglich als Chemikerin angefangen. Wie kamen Sie zur Biologie?

Was mich hierher geführt hat, waren die interessanten Fragen. Der Natur ist es egal, wie wir die Wissenschaft vor langer Zeit in Themengebiete eingeteilt haben, die wir heute Chemie, Physik oder Biologie nennen. Das Faszinierendste, an das ich mich aus meinem Grundstudium erinnere, ist die wunderschöne Maschine namens ATP-Synthase. Sie produziert Energie für die Zellen in unserem Körper und trotzt dabei chaotischen Temperaturschwankungen. Damals war ich neugierig darauf, diesen Prozess zu verstehen, und dann wurde mir klar, dass die ganze Zelle aus solchen Strukturen aufgebaut ist. Ich wollte wissen, wie das alles funktioniert. Aus der Chemie kommend, wechselte ich zur Physik der weichen Materie und dann zur biologischen Physik, wobei ich immer den Fragen folgte, die ursprünglich meine Neugier für die Wissenschaft weckten.