In den Zellen, den wahren Chemiefabriken, werden die Reaktionen durch Kompartimente oder Organellen organisiert, von denen einige membranlos sind.
Eine internationale Zusammenarbeit hat die Existenz eines unerwarteten Phänomens, genannt Dialytaxis, in künstlichen membranlosen Organellen gezeigt. Laut einer in
Nature Communications veröffentlichten Studie könnte dieser Effekt eine Rolle bei der Organisation zellulärer Kompartimente spielen und in der Bioingenieurtechnik genutzt werden.
(oben) Passive Tropfen werden von Mischung stabilisierenden Lösungen angezogen und von Tropfen stabilisierenden Lösungen abgestoßen. Entgegengesetzte Gradienten können zu einer Netto-Bewegungslosigkeit führen.
(unten) Tropfen, die Mischung stabilisierende Lösungen produzieren (bzw. Tropfen stabilisierende Lösungen), schwimmen aufeinander zu (bzw. voneinander weg). Tropfen, die konkurrierende Lösungen erzeugen, können sich gegenseitig verfolgen. In den Zellen gibt es klar definierte Kompartimente, die die biochemische Aktivität regulieren. Einige, wie der Zellkern, besitzen eine Membran, andere hingegen sind nur durch eine Flüssig-Flüssig-Grenzfläche begrenzt, die sich trotz der zahlreichen umgebenden chemischen Reaktionen aufrechterhält.
Wenn die Eigenschaften einer Flüssig-Flüssig-Grenzfläche entlang ihrer selbst variieren, wie zum Beispiel durch lokales Hinzufügen eines Tensids wie Seife, entsteht ein spontaner Fluss, der Materie bewegt: Dieser Effekt wird Marangoni-Effekt genannt. Er tritt beispielsweise in den Weinen der Tränen auf, den Flüssigkeitswülsten, die sich über dem Wein bilden, wenn man das Glas schwenkt. In diesem Fall spielt der Alkohol, dessen Menge entlang der Grenzfläche variiert, die Rolle der Seife.
Die große Mehrheit der membranlosen Kompartimente der Zellen synthetisiert jedoch weder Seife noch Alkohol, und der Marangoni-Effekt sollte dort eigentlich nicht auftreten. Forscher und Forscherinnen des Laboratoire d'hydrodynamique (
LadHyX, CNRS/École Polytechnique), der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (
ETHZ, Schweiz) und der
Cornell University (USA) haben jedoch entdeckt, dass der Marangoni-Effekt dort nach einem allgemeineren Prinzip auftreten könnte als bisher angenommen.
Das Team untersuchte chemische Reaktionen in einem künstlichen System von Proteintröpfchen, die mit Enzymen beladen waren und die membranlosen Kompartimente der Zellen nachahmen. Die Wissenschaftler beobachteten den Fall der Zersetzungsreaktion von Harnstoff in Ammoniak und Kohlendioxid, als sie sahen, dass die Proteintröpfchen zu schwimmen begannen und sich gegenseitig anzogen. Ein Verhalten, das dem Marangoni-Effekt entspricht. Die durch die Zersetzung von Harnstoff erzeugten Moleküle, obwohl sie weit von Seife oder Alkohol entfernt sind, stören die Stabilität der Flüssig-Flüssig-Grenzfläche zwischen dem Tropfen und der Lösung.
Bei Tests mit verschiedenen Molekülen stellten die Forscher fest, dass die Proteintröpfchen dann kollektiv auf Bereiche zusteuern, die reich an Molekülen sind, die sie auflösen. Dieses Phänomen, das die Co-Autoren Dialytaxis genannt haben, könnte am Transport membranloser Kompartimente innerhalb der Zellen beteiligt sein.
Dieses Prinzip könnte langfristig zur Konstruktion von "Tröpfchenrobotern" dienen, die auf chemische Zusammensetzungsvariationen ihrer Umgebung reagieren, sich entsprechend bewegen und sich dann in chemische Mikroreaktoren am gewünschten Ort verwandeln.
Referenzen:
Phase-separated droplets swim to their dissolution.
Etienne Jambon-Puillet, Andrea Testa, Charlotta Lorenz, Robert W. Style, Aleksander A. Rebane & Eric R. Dufresne.
Nature Communications volume 15, article number: 3919 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47889-y
Artikel zugänglich auf der Basis offener Archive
HAL
Quelle: CNRS INSIS