Wie Phasentrennung die Zelle organisiert

Ein neues Review gibt Aufschluss über die Wechselwirkung zwischen Zellmembranen und Zellorganen

Um Ordnung in ihrem Inneren zu halten, organisiert die Zelle ihre Bausteine in verschiedene Bereiche. Dabei spielen nicht nur membranumhüllte Zellorganellen wie der Zellkern oder die Mitochondrien eine Rolle. Ein Review von Forschenden des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung zeigt, wie auch Phasentrennung zur Bildung dynamischer Strukturen wie biomolekularer Kondensate und Membrandomänen beiträgt.

Zellen sind dicht gefüllte, hochdynamische Systeme. Auf engem Raum müssen Proteine, Nukleinsäuren, Lipide und zahlreiche andere Moleküle miteinander interagieren. Gleichzeitig müssen viele Prozesse räumlich voneinander getrennt oder Moleküle gezielt an bestimmten Orten konzentriert werden. Dafür nutzt die Zelle neben klassischen, membranumhüllten Organellen wie dem Zellkern oder der Mitochondrien ein weiteres Prinzip: Die Phasentrennung.

Ein aktuelles Review von Agustín Mangiarotti und Rumiana Dimova vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung zeigt, wie die Phasentrennung sowohl im Zellinneren als auch an Zellmembranen zur räumlichen Organisation beiträgt. Das Review ist im Fachjournal Nature Reviews Molecular Cell Biology erschienen.

Zwei Formen der Phasentrennung

Moleküle in Zellen verteilen sich nicht immer gleichmäßig. Unter bestimmten Bedingungen wie Temperatur und Konzentration teilen sie sich in unterschiedliche Phasen auf. Dahinter steckt das physikalische Prinzip der Phasentrennung, wobei sich Stoffe in einzelne Bestandteile trennen, ähnlich wie sich Öl und Essig in einem Salatdressing aufteilen. Dabei entsteht typischerweise eine konzentriertere Phase, in der die beteiligten Moleküle dichter gepackt sind und stärker miteinander wechselwirken, sowie eine verdünnte Phase mit geringerer Konzentration.

Im Zellinneren findet dieses Phänomen im dreidimensionalen Raum statt. Es kann zur Bildung sogenannter biomolekularer Kondensate führen. Dabei sammeln sich beispielsweise Proteine und Nukleinsäuren in abgegrenzten, membranlosen Bereichen in Tropfenform. Viele dieser Kondensate haben flüssigkeitsähnliche Eigenschaften.

Der gleiche Sortierprozess findet auch entlang der Zellmembran statt. Lipide und Proteine organisieren sich seitlich in unterschiedlichen Bereichen der zweidimensionalen Membran. Diese sogenannten Membrandomänen, auch „Rafts“ genannt, fungieren als wichtige Plattformen für die Signalübertragung und andere zelluläre Aufgaben.

Wenn Membranen und Kondensate zusammenarbeiten

Die Entdeckung dieser membranlosen Kondensate hat die Zellbiologie revolutioniert. Wie ihre Materialeigenschaften ihre Funktionen bestimmen und wie ihre Zusammensetzung aus Molekülen angepasst wird, ist allerdings bislang noch nicht verstanden.

Obwohl Phasentrennung im Zellinneren und an Membranen in unterschiedlichen räumlichen Dimensionen stattfindet, lassen sich beide Prozesse nicht vollständig getrennt voneinander betrachten. Das Review zeigt, wie eng Membranen und biomolekulare Kondensate miteinander gekoppelt sein können.

So beeinflussen Membranen, wo und unter welchen Bedingungen biomolekulare Kondensate entstehen und welche Eigenschaften sie annehmen. Umgekehrt verändern Kondensate die Eigenschaften und Organisation von Membranen. Sie können beispielsweise an Membranen anhaften, deren Struktur verändern oder zu ihrer Verformung beitragen.

Diese wechselseitige Interaktion spielt eine entscheidende Rolle bei verschiedenen biologischen Prozessen, wie beispielsweise der Signalübertragung, Immunreaktionen, der Bildung von Tight Junctions zwischen Zellen, an Synapsen oder bei Stressgranula, die Risse in beschädigten Lysosomen „verschließen“, um diese zu reparieren.

Dimovas Forschungsgruppe hat selbst maßgeblich zur Etablierung wichtiger Methoden in diesem Bereich beigetragen und beispielsweise aufgezeigt, wie Faktoren wie die Lipidpackung und der Cholesteringehalt beeinflussen, ob ein Kondensat eine Membran benetzt, teilweise benetzt oder von ihr abgestoßen wird.

Die räumliche Organisation einer Zelle entsteht damit nicht allein durch feste Strukturen. Auch physikalische Prozesse wie die Phasentrennung und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zellkomponenten tragen dazu bei, wo Moleküle zusammenkommen, welche Strukturen sich bilden und wie diese ihre Funktionen ausüben. Membrandomänen und biomolekulare Kondensate bilden dabei ein eng gekoppeltes System, das zur räumlichen Organisation und Funktion von Zellen beiträgt.