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Zellen lernen zu telefonieren

Kommunikation über chemische Signale

Freiburg, 27.02.2017

Zellen lernen zu telefonieren

Therapeutischer Anruf stoppt die übermäßige Bildung neuer Blutgefäße: Forscher haben ein «Cell Phone» entwickelt, das Zellen über Signalmoleküle miteinander kommunizieren lässt.(Grafik: Andrea Lingk / ETH Zürich)

Telefonieren ist ein Austausch von Informationen: A ruft B an und sie vereinbaren, was B ausführen soll. Ist dies erledigt, meldet sich B bei A und gibt eine Rückmeldung. Es handelt sich um eine einfache Zweiweg-Kommunikation, bei der elektrische Signale gesendet werden, für deren Übermittlung geeignete Geräte nötig sind. Nach diesem Schema hat ein Bioingenieurteam um Prof. Dr. Martin Fussenegger und Prof. Dr. Jörg Stelling von der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich/ Schweiz, in Zusammenarbeit mit dem Freiburger Forscher Prof. Dr. Wilfried Weber, Exzellenzcluster Centre for Biological Signalling Studies (BIOSS) und Institut für Biologie II der Universität Freiburg, Säugetierzellen so programmiert, dass sich zwei Zellen mittels chemischer Signale austauschen können. Damit haben die Wissenschaftler erstmals in Säugetierzellen ein künstliches Zweiweg-Kommunikationssystem eingebaut, wie sie in der aktuellen Online-Ausgabe von Nature Biotechnology berichten.

Das Telefonsystem für Säugerzellen besteht aus geeigneten Signalmolekülen und biologischen „Geräten“, welche die Signale empfangen, verarbeiten und entsprechend reagieren können. Die „Geräte“ selbst sind zusammengesetzt aus Genen und Proteinen, die logisch miteinander verknüpft sind. Zunächst wird dem System von außen der Blütenduftstoff Indol zugeführt. Dadurch bildet sich in der Senderzelle die Aminosäure L-Tryptophan. Dieses Molekül gelangt in die Empfängerzelle, die das Signal verarbeitet. Als Antwort auf L-Tryptophan bildet der Empfänger Acetaldehyd, welches die Senderzelle empfangen kann. Ist nach einiger Zeit eine bestimmte Konzentration von Acetaldehyd erreicht oder das Indol aufgebraucht, stoppt die Senderzelle die Herstellung von L-Tryptophan, das System schaltet sich aktiv selbst aus.

Zweiweg-Kommunikation ist in mehrzelligen Organismen wichtig, damit sich die verschiedenen Zelltypen austauschen können. So wird auch das Blutgefäßsystem entwickelt und unterhalten. Dabei stimuliert das Signalmolekül VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) die Bildung von neuem Endothel, das die Blutgefäße auskleidet. VEGF erhöht die Durchlässigkeit der Endothelzellen, was eine wichtige Voraussetzung für das Gefäßwachstum ist. Ist das Wachstum vollendet, erfolgt eine Rückmeldung mittels dem Molekül Ang1, was die Durchlässigkeit der Endothelzellen stoppt und das weitere Wachstum der Blutgefäße unterbindet. Die Biotechnologen konnten diesen natürlichen Vorgang nun in einer Zellkultur nachahmen, ihrem „Cell-Phone“, wie sie es nennen. Gerät VEGF im Körper außer Kontrolle, bilden sich zu viele Blutgefäße, die einen wachsenden Tumor versorgen. Das „Cell Phone“ könnte deshalb eine Strategie sein, die krankhafte Bildung neuer Blutgefäße zu stoppen. «Wir erhoffen uns, dass wir in Zukunft mit synthetischen „Cell Phones“ krankheitsrelevante Zellkommunikationssysteme präzise mit einem „therapeutischen Anruf“ korrigieren können», erklärt ETH-Forscher Martin Fussenegger.

Publikation:
Bacchus W, Lang M, El-Baba MD, Weber W, Stelling J & Fussenegger M. Synthetic two-way communication between mammalian cells. Nature Biotechnology, Published online 16th Sept 2012. DOI: 10.1038/nbt.2351

English Press Release

Kontakt:
Prof. Dr. Wilfried Weber
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
BIOSS Centre for Biological Signalling Studies und Institut für Biologie II
Tel.: 0761/203-97654
E-Mail: wilfried.weber@biologie.uni-freiburg.de