Am 18. August 2025 veröffentlichte ein internationales Forschungsteam, an dem auch die Universität Bielefeld beteiligt war, eine wegweisende Studie in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Die Studie untersucht, wie Zellen in einem Team komplexe Strukturen bilden, insbesondere durch das Zusammenspiel in der extrazellulären Matrix (ECM), die von Zellen produziert wird. Im Fokus der Forschung stand der Modellorganismus Volvox carteri, eine Grünalge, die aus etwa 2000 Zellen besteht.
Die Wissenschaftler verwendeten ein fluoreszierendes markiertes ECM-Protein namens Pherophorin II, um die Strukturen der ECM sichtbar zu machen. Dazu setzten sie ein konfokales Laserscanning-Mikroskop (CLSM) ein, das eine hochauflösende Darstellung der ECM ermöglichte. Die Ergebnisse zeigten, dass Pherophorin II an Grenzstrukturen der ECM lokalisiert ist und die Stabilität der äußeren Strukturen trotz unterschiedlich produzierter Proteine zwischen den Zellen gewahrt bleibt. Interessanterweise folgen die Kompartimente der ECM einer mathematischen k-Gamma-Verteilung.
Dynamische Entwicklung und Selbstorganisation
Ein zentrales Ergebnis der Studie ist die Fähigkeit von Zellen, gemeinsam stabile äußere Strukturen zu erzeugen, ohne dass eine direkte Abstimmung erforderlich ist. Dies deutet auf einen Prozess der Selbstorganisation hin. Die Forscher stellten außerdem fest, dass die ECM-Strukturen abgerundete oder polygonale Begrenzungen aufweisen, die sich beim Wachstum der Algen verändern.
Das Forschungsteam bestand aus verschiedenen Fachleuten, darunter Professor Armin Hallmann, Dr. Benjamin von der Heyde und Dr. Eva Laura von der Heyde von der Universität Bielefeld, sowie Anand Srinivasan, Dr. Sumit Kumar Birwa, Dr. Steph Höhn und Professor Raymond Goldstein von der Universität Cambridge. Diese gemeinschaftliche Anstrengung wird durch Fördermittel des Wellcome Trust und der John Templeton Foundation unterstützt.
Die Rolle der extrazellulären Matrix
Die extrazelluläre Matrix spielt eine entscheidende Rolle in der Zellkommunikation und -interaktion. Sie besteht aus einer heterogenen Grundsubstanz, die Wasser, Glykoproteine, Polysaccharide und wichtige Nährstoffe umfasst. Zu den Hauptbestandteilen zählen auch Kollagene, die verschiedene Arten von Fasern bilden und in fast jedem Gewebe vorhanden sind. Diese Matrix beeinflusst nicht nur die Eigenschaften von Geweben, sondern auch das Zellverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Matrixkomponenten.
Die Studie zeigt zudem, dass 54% der Gene in V. carteri spezifisch für Zelltypen ausgeprägt sind. Zwei bedeutende Zelltypspezifische Promotoren wurden identifiziert: PCY1, der in reproduktiven Zellen (Gonidien) aktiv ist, und PFP, der in somatischen Zellen wirkt. Diese Promotoren bieten effektive molekulare Werkzeuge für genetische Manipulation und das Studium der Genfunktionen innerhalb von V. carteri.
Insgesamt verdeutlicht die Forschung, wie wichtig die Dynamik der ECM für die Entstehung und Stabilität komplexer Zellstrukturen ist und eröffnet neue Perspektiven für das Verständnis von Mehrzelligkeit und Zellteilung.
Die Originalpublikation, verfasst von Benjamin von der Heyde et al., wurde am 12. August 2025 veröffentlicht und kann unter der DOI: 10.1073/pnas.2425759122 eingesehen werden.
Für weitere Informationen über die extrazelluläre Matrix besuchen Sie bitte Wikipedia.
Die Untersuchung von V. carteri und verwandten Organismen könnte weitreichende Anwendungen in der synthetischen Biologie und in der medizinischen Forschung finden, um etwa spezifischere Therapien zu entwickeln oder das Verständnis von Zellverhalten zu vertiefen.
uni-bielefeld.de berichtet, dass die wissenschaftlichen Erkenntnisse zur selbstorganisierenden Fähigkeit der Zellen neue Wege in der biologischen Forschung eröffnen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung unsere Perspektiven zur Komplexität des Lebens erweitert und das Zusammenspiel von Zellen in ihrer natürlichen Umgebung beleuchtet.
