Selbstorganisation von Pflanzenzellen

Wohin wollen wir? Teil und Ganzes.

Bei Pflanzen ist das Verhältnis zwischen Teil zum Ganzen fundamental verschieden von unserem Organismus: alle Zellen sind mehr oder minder gleichberechtigt, es gibt keine festgelegte Hierarchie und jede einzelne Zelle ist im Grunde in der Lage, einen eigenständigen Organismus zu bilden. Übersetzt in die medizinische Diskussion: im Grunde benimmt sich jede Zelle eines pflanzlichen Organismus wie eine Stammzelle. Wieso enden diese "Zellen ohne Chef" nicht im Chaos? Offenbar können sie sich diese Zellen in urdemokratischer Weise selbst organisieren. Dies wollen wir verstehen. Da ein pflanzlicher Embryo ja im mütterlichen Gewebe eingeschlossen und daher schwer mikroskopisch zu beobachten ist, haben wir uns zelluläre Modelle entwickelt. Wir konnten zeigen, dass die weit verbreitete Tabak-Zellkultur BY-2 nach Zugabe von Auxin Fäden aus 6-10 Zellen bildet, die sich wie ein kleiner Minimalorganismus verhält. Die Zellen eines Fadens teilen sich nicht zufällig sondern stimmen ihre Teilung mit ihren Nachbarn ab. Unsere Forschungen ergaben, dass die Einzelzellen chemische Schwingungen erzeugen, die in einer Art chemischer Resonanz dem ganzen Zellfaden einen Rhythmus aufprägen. Dieser Rhythmus entsteht aus dem gerichteten Auspumpen von Auxin und der Reaktion des Actinskeletts auf Auxin. Actinfilamente, die Muskeln der Zelle, entspannen sich nämlich, wenn sie Auxin wahrnehmen und verkrampfen sich, wenn Auxin fehlt. Durch die Tätigkeit des Actins werden die Auxinpumpen unterschiedlich gut an ihre Wirkungsstätte, die Zellmembran, verfrachtet. Es entsteht so also ein rückgekoppelter Schwingkreis, von dem wir glauben, dass er der Schrittmacher der Selbstorganisation ist.

Was haben wir herausgefunden?

• Um den Actin-Auxin Oszillator zu verstehen, müssen wir natürlich herausfinden, welche Prozesse die Antwort von Actin auf Auxin vermitteln. Da Actin ein sehr konservatives Protein ist, denken wir, dass es auf die Proteine ankommt, die mit Actin wechselwirken. Die Tatsache, dass Actin auf Auxin reagiert, heißt noch lange nicht, dass Actin von der Zelle dazu genutzt wird, Auxin wahrzunehmen. Wir arbeiten daher an experimentellen Ansätzen, um zu prüfen, ob Actin wirklich als Auxinsensor wirkt. mehr...
• Eine Tochterzelle erbt nicht nur die Gene ihrer Mutter, sondern bekommt auch eine "Richtung", eine Art räumliches Muster, was außerhalb der Gene liegt. Um dies untersuchen zu können, haben wir ein tabula rasa System entwickelt, bei dem wir die Zellen ihrer Richtung berauben, so dass wir beobachten können, wie sie eine neue Richtung entwickeln. mehr...
• Während unserer Arbeit mit dem tabula rasa System haben wir gesehen, dass die Zelle ihre Umgebung erkundet. In einem Gewebeverband kann sie so ihre Richtung mit ihren Nachbarinnen abstimmmen, um so die mechanische Spannung im Gewebe gering zu halten. mehr...
• Wenn Pflanzenzellen den Raum erkunden, wandert der Zellkern im Innern umher, bis er schließlich in der Mitte zur Ruhe kommt. Diese Bewegung hängt von einem eigentümlichen Actinkorb ab, der den Zellkern in peristaltischer Weise durch die Zelle quetscht. Mithilfe sogenannter PALM Mikroskopie konnten wir dieses Phänomen mit einer noch nie dagewesenen Auflösung von nur 20 nm sichtbar machen. mehr...

Wie wird Geometrie gemessen? In einem Pflanzengewebe müssen die "Richtungen" der Einzelzellen aufeinander abgestimmt werden, um so mechanische Belastungen beim Wachstum zu vermeiden. Gleichzeitig können die Einzelzellen über Messung der mechanischen Spannung im Gewebe feststellen, was die anderen Zellen tun. Beispielsweise hat man herausgefunden, dass die Blattstellung in der Spross-Spitze auf diese Weise gesteuert wird, ohne dass eine übergeordnete Instanz den Einzelzellen sagt, in welche Richtung sie sich teilen oder sich ausdehnen sollen. Es scheint also so zu sein, dass "Richtung" über mechanische Signale aus der Umgebung entsteht. Das ist aber nur die halbe Wahrheit - die Zellen eines Gewebes sind nämlich auch chemisch miteinander gekoppelt, zum Beispiel über einen gerichteten Fluss des Pflanzenhormons Auxin (ähnlich wie in unserem Minimalorganismus). Es wäre für ein Gewebe auch nicht sehr zielführend, wenn erst einmal heftige mechanische Spannungen aufgebaut werden, und danach alle Zellen sich noch mal neu anordnen müssten. Raffinierter wäre es doch, wenn die Einzelzellen ihre "Richtung" schon von vorneherein so festlegen könnten, dass gar nicht erst große Spannungen entstehen können. Wir haben nun unser tabula rasa System dafür genutzt, um die Frage zu klären, wie Pflanzenzellen die Geometrie ihrer Umgebung messen. In einer Kooperation mit dem National Institute for Nanotechnology in Beijing haben wir eine mikrofluische Kammer entwickelt, wo die wandlos gemachten Einzelzellen in kleine Töpfchen eingefügt werden können. Jedes Töpfchen hat in etwa Größe und Form einer ausgewachsenen Pflanzenzelle. Nach etwas Anfangswehen gelang es uns, die richtungslos gemachten Zellen in diesem System zu kultivieren, zu beobachten und über einen mikrofluidischen Strom von Auxin oder Auxintransport-Hemmstoffen einen chemischen Gradienten aufzuprägen. Wir stellten überrascht fest, dass die Zelle ihre Richtung vorzugsweise in der langen Achse des rechteckigen Töpfchens orientieren. Noch überraschter waren wir, als wir feststellten, dass die Zelle ihre "Richtung" schon zeigt, bevor sie die Wand des Töpfchens überhaupt berührt hat. Woher "weiss" sie denn, wo die Wand ist? Ein Experiment mit einem Hemmstoff des Auxintransports brachte die Antwort. Nach Behandlung dieses Hemmstoffs können die Zellen nämlich nicht mehr feststellen, wie die Geometrie des Töpfchens aussieht, so dass viele Zelle falsch orientiert sind und sich querstellen. Offenbar pumpen diese Zellen also Auxin in ihre Umgebung und prüfen, ob sich dieses anhäuft (dann ist da kein Platz) oder ob es verschwindet (dann ist da Platz). Im nächsten Schritt entsteht ihre "Richtung" dann so, dass die Zelle sich später dorthin ausdehnt und auch teilt, wo Platz ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass in einem Gewebe schädliche mechanische Spannungen entstehen. Zur Probe aufs Exempel haben wir dann die Zellen mit zwei widersprüchlichen Reizen konfrontiert - dazu wurde ein Gefälle von Auxin senkrecht zur Geometrie des Töpfchens eingestellt. Je nach Stärke des Auxingradienten entschieden sich die Zellen dann für den chemischen oder für den geometrischen Reiz.

Kernwanderung jenseits der Auflösungsgrenze. Aus unseren tabula rasa Experimenten wissen wir, dass der Zellkern eine entscheidende Rolle bei der Richtungsbildung spielt. Erst muss er die Mitte der Zelle finden, bevor sich von dort aus eine neue "Richtung" bilden kann. Deshalb wird derzeit die Kernwanderung intensiv beforscht. Der Zellkern einer Pflanzenzelle liegt nicht einfach so herum, sondern ist durch das Zellskelett aufgehängt und wird, vor allem vor der Zellteilung, gezielt an die Stelle gebracht, wo danach die Ebene der Teilung sein wird. Wir konnten schon einige der molekularen Mitspieler bei diesem Geschehen aufklären - neben einem nur bei Pflanzen vorkommenden Kinesinmotor ist das ein spezieller Käfig aus Actinfilamenten, der den Kern förmlich einspinnt und bei der Bewegung des Kerns vor allem die Luvseite markiert. Wie die Bewegung funktioniert, ist freilich noch unverstanden. Um das verstehen zu können, müssen wir das Verhalten dieses Actinkäfigs genauer sehen, als das mit dem Lichtmikroskop sonst möglich ist. Bedingt durch die Wellenlänge des Lichts (etwa 500 nm) lassen sich Strukturen, die kleiner sind als eine Lichtwellenlänge, nicht mehr auflösen. Diese magische Auflösungsgrenze ist in den letzten Jahren durch neue Entwicklungen in der Mikroskopie gebrochen worden. Man kann nämlich schaltbare fluoreszente Sonden einsetzen und schaltet dann immer nur ganz wenige davon an, so dass man jedem Lichtfleck ein Molekül zuordnen kann. Der Platz dieses Moleküls lässt sich dann über komplexe Rechenverfahren ganz genau bestimmen. Dann schaltet man die Moleküle wieder aus und aktiviert den nächsten Satz von fluoreszenten Sonden. Das Ganze wird so lange wiederholt, bis die ganze Zelle mit genau bestimmten Lichtpunkten gepflastert ist. Mit diesem PALM genannten Verfahren kann man dann auf 20 nm Auflösung kommen, was 10-20 mal feiner ist als alles, was man bisher hinbekommen hat. In Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Uli Nienhaus in der Biophysik konnten wir zum ersten Mal die PALM Technik auf Pflanzenzellen anwenden und damit den Actinkäfig in sogenannter Super-Auflösung sichtbar machen. Dies brachte überraschende Erkenntnisse über die Art, wie der Zellkern bewegt wird - er scheint nämlich nicht gezogen, sondern eher peristaltisch durch die Zelle "gequetscht" zu werden. Jetzt wollen wir verstehen, wie die "Richtung" dieser Bewegung entsteht - denn die Richtung der Kernbewegung scheint die Wurzel für die "Richtung" der gesamten Zelle zu sein. Wir landen also immer mehr bei einer Sichtweise, wo die Architektur von Pflanzenzelle und Organismus auf gerichtete Bewegungen zurückgeführt werden kann. Die uns sichtbare Gestalt einer Pflanze ist also nichts anderes als verfestigte Spur innerzellulärer Bewegung...