Zellen verändern ständig ihre innere Zusammensetzung – doch eines bleibt konstant
Bakterienzellen können ihre molekulare Innenzusammensetzung als Reaktion auf veränderte Bedingungen radikal umstrukturieren. Dennoch bleibt etwas überraschend konstant. Forscher haben nun genau kartiert, was unverändert bleibt – und das könnte auf ein universelles Prinzip des zellulären Lebens hinweisen.
Man stelle sich eine Zelle als eine Fabrik vor, die sich je nach verfügbaren Ressourcen und Energie kontinuierlich neu organisiert. Die Maschinen wechseln, die Produktionsverhältnisse verschieben sich – und doch bleibt das Gesamtgefüge irgendwo in diesem dynamischen Chaos im Gleichgewicht. Genau das haben Forscher an Escherichia coli entdeckt, jenem Bakterium, das in jedem Biologiebuch auftaucht und trotzdem noch immer neue Geheimnisse preisgibt.
Die in eLife veröffentlichte Studie nutzte Raman-Spektroskopie, um die molekulare Zusammensetzung von E.-coli-Zellen unter Dutzenden verschiedener Wachstumsbedingungen zu messen. Bei der Raman-Spektroskopie wird Licht auf Zellen gerichtet und die Art, wie es zurückgestreut wird, ausgewertet – das Muster verrät, welche Moleküle in welchen Mengen vorhanden sind. So entsteht ein molekularer Fingerabdruck einer lebenden Zelle, ganz ohne sie aufzubrechen.
Die Bilanz, die niemals lügt
Die Forscher beobachteten, dass die proportionalen Verhältnisse zwischen den wichtigsten molekularen Bausteinen – Proteinen, Lipiden und Nukleinsäuren – auffallend stabil blieben, selbst wenn sich in der Zelle vieles andere veränderte. Sie nennen dies „stoichiometric conservation": Die Absolutmengen der molekularen Bestandteile variieren zwar, ihre relativen Verhältnisse folgen jedoch durchgehend gleichbleibenden strukturellen Regeln.
Mithilfe von maschinellem Lernen, das auf die Raman-Spektraldaten angewendet wurde, konnte das Team molekulare Zusammensetzungen selbst unter Bedingungen vorhersagen, mit denen das Modell zuvor nie konfrontiert worden war. Die Treffsicherheit dieser Vorhersagen belegt, dass Zellen ihre molekulare Zusammensetzung nicht zufällig anpassen. Es gibt eine zugrunde liegende Struktur – und sie lässt sich messen.
Für die Alternsforschung ist das indirekt, aber durchaus relevant. Eines der charakteristischen Merkmale des zellulären Alterns ist der schrittweise Verlust der molekularen Homöostase – also der Fähigkeit von Zellen, ihr inneres Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Wenn ein ähnliches Erhaltungsmuster in menschlichen Zellen existiert und es im Zuge des Alterns oder bei geschädigten Zellen systematisch zusammenbricht, würden sich daraus neue diagnostische Möglichkeiten ergeben. Eine Zelle, die ihre molekularen Verhältnisse nicht mehr aufrechterhalten kann, ist eine Zelle in der Krise.
Vom Bakterium zur menschlichen Zelle
Der Sprung vom Bakterium zur menschlichen Zelle ist erheblich. Bakterien sind weitaus einfacher aufgebaut als die Zellen unseres Körpers. Doch die grundlegende biochemische Logik – dass molekulare Verhältnisse als Mechanismus zur Aufrechterhaltung der Homöostase erhalten bleiben – ist evolutionär uralt und wahrscheinlich weit verbreitet. Ob dieses Prinzip auch in komplexen eukaryotischen Zellen gilt, einschließlich alternder menschlicher Zellen, ist die Frage, die diese Forschung aufwirft – und noch längst nicht beantwortet hat.