Zu heiß? Zu kalt?

Temperatur steuert Bildung und Auflösung von membranlosen Tröpfchen im Fadenwurm C. elegans

P-Granula-Kondensate (markiert in grün) im Inneren eines C. elegans-Wurms können über einen Temperaturzyklus in Teilen des Fortpflanzungssystems und der Embryonen aufgelöst und neu gebildet werden. Die linke Spalte zeigt einen Teil des Fortpflanzungssystems (Keimdrüse) und Embryonen. Die rot gestrichelte Linie zeigt frühe Embryonen, die auch in der Vergrößerung auf der rechten Seite zu sehen sind. Copyright: Fritsch et al. (2021), National Academy of Sciences / MPI-CBG

Bestimmte Proteine bilden durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung membranlose Kondensate aus, ähnlich der Trennung von Öl und Wasser. Diese Phasentrennung ist im Reagenzglas, also außerhalb lebender Organismen, unter Bedingungen die nahezu einem thermodynamischen Gleichgewicht entsprechen eingehend untersucht worden. Lebende Zellen jedoch sind Systeme außerhalb dieses Gleichgewichts, da sie ständig mit Energie und Materie versorgt werden, um biochemische Prozesse anzutreiben. Es war bisher unklar, inwieweit die Bildung von Kondensaten als ein Gleichgewichtsprozess auch in einer aktiven zellulären Umgebung beobachtet und erklärt werden kann.

Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, untersuchten Biologen und Physiker des Max-Planck-Instituts für molekulare Zellbiologie und Genetik, des Max-Planck-Instituts für Physik komplexer Systeme und des Zentrums für Systembiologie Dresden die Reaktion von P-Granula-Kondensaten in lebenden Zellen auf Temperaturänderungen. P-Granula sind sehr gut erforschte Kondensate, die im Kaltblüter Fadenwurm C. elegans vorkommen. Sie sind wesentlich für die Entwicklung des Fortpflanzungssystems und besitzen wichtige Eigenschaften von flüssigen Tröpfchen. Anatol Fritsch, der Erstautor der Studie, beschreibt die Studie: „Wir beobachteten, dass sich die P-Granula auflösten, wenn wir die Temperatur erhöhten, und sich wieder neu bildeten, wenn wir die Temperatur senkten. Es war für uns überraschend, dass wir diesen Prozess auch in einer lebenden und aktiven Zelle mit Gleichgewichtsthermodynamik erklären konnten.“ Die Forscher schlussfolgern, dass verschiedene molekulare Komponenten in den P-Granulat-Kondensaten zusammenwirken und dass dies dazu beiträgt, das Kondensat vor Veränderungen der Umgebungstemperatur zu schützen. Diese Studie zeigt, wie molekulare Komponenten biologische Funktionen über thermodynamische Prinzipien, die für die Fruchtbarkeit eines Organismus von Bedeutung sind, ermöglichen können. Sie wurde in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Originalpublikation:

Anatol W. Fritsch, Andrés F. Diaz-Delgadillo, Omar Adame-Arana, Carsten Hoege, Matthäus Mittasch, Moritz Kreysing, Mark Leaver, Anthony A. Hyman, Frank Jülicher, and Christoph A. Weber: Local thermodynamics govern formation and dissolution of Caenorhabditis elegans P granule condensates. PNAS September 14, 2021 118 (37) e2102772118;
doi: 10.1073/pnas.2102772118