Biomolekulare Kondensate verändern die Zellbiologie

Erinnern Sie sich an den grundlegenden Biologieunterricht in der Schule. Wahrscheinlich ging es dort um Organellen – jene kleinen „Organe“ innerhalb von Zellen, die abgegrenzte Bereiche mit jeweils eigenen Aufgaben bilden.

Mitochondrien erzeugen beispielsweise Energie, Lysosomen verwerten Abfallstoffe wieder und der Zellkern speichert die DNA. Trotz ihrer unterschiedlichen Funktionen haben diese Organellen etwas gemeinsam: Jedes von ihnen ist von einer Membran umgeben.

Membranumschlossene Organellen galten in Lehrbüchern lange als Standardmodell dafür, wie Forschende die Organisation von Zellen erklärten. Mitte der 2000er-Jahre wurde jedoch klar, dass manche Organellen keine Membranhülle benötigen.

Seither haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zahlreiche weitere membranlose Organellen entdeckt. Sie haben die Vorstellungen der Biologie über die Chemie und die Entstehung des Lebens grundlegend verändert.

Mit membranlosen Organellen, die fachlich biomolekulare Kondensate heißen, kam ich vor einigen Jahren erstmals in Berührung. Studierende in meinem Labor hatten dabei ungewöhnliche Bläschen in einem Zellkern beobachtet.

Ohne dass es mir bewusst war, hatten wir biomolekulare Kondensate tatsächlich schon seit Jahren untersucht. Was ich schließlich in diesen Bläschen erkannte, eröffnete mir eine völlig neue Welt der Zellbiologie.

Wie in einer Lavalampe

Um sich das Erscheinungsbild eines biomolekularen Kondensats vorzustellen, hilft das Bild einer Lavalampe: Wachsklumpen verschmelzen miteinander, trennen sich wieder und fließen erneut zusammen. Kondensate entstehen auf ähnliche Weise, bestehen aber nicht aus Wachs. Stattdessen verdichtet sich in einer Zelle eine Ansammlung von Proteinen und genetischem Material – genauer gesagt RNA-Molekülen – zu gelartigen Tröpfchen.

Einige Proteine und RNAs verhalten sich so, weil sie bevorzugt miteinander wechselwirken und nicht mit ihrer Umgebung. Das ähnelt den Wachsklumpen in einer Lavalampe, die sich untereinander vermischen, jedoch nicht mit der umgebenden Flüssigkeit. Diese Kondensate schaffen eine neue Mikroumgebung, welche weitere Proteine und RNA-Moleküle anzieht und dadurch innerhalb von Zellen ein einzigartiges biochemisches Kompartiment bildet.

Bis 2022 hatten Forschende etwa 30 Arten dieser membranlosen biomolekularen Kondensate identifiziert. Dem stehen rund ein Dutzend bekannte herkömmliche membranumhüllte Organellen gegenüber.

Sobald man weiß, wonach man sucht, lassen sich biomolekulare Kondensate zwar leicht erkennen. Schwerer ist es jedoch, ihre genaue Aufgabe zu bestimmen. Einige erfüllen klar umrissene Funktionen, etwa bei der Bildung von Fortpflanzungszellen, von Stressgranula und von Ribosomen zur Proteinherstellung. Bei vielen anderen ist die Funktion hingegen noch nicht eindeutig geklärt.

Membranlose Organellen könnten zahlreichere und vielfältigere Aufgaben übernehmen als ihre membranumhüllten Gegenstücke. Die Erforschung dieser unbekannten Funktionen verändert das grundlegende Verständnis von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern darüber, wie Zellen arbeiten.

Proteinstruktur und Funktion

Biomolekulare Kondensate stellen einige lange vertretene Annahmen der Proteinchemie infrage.

Seit Forschende in den 1950er-Jahren erstmals einen guten Einblick in die Struktur des Proteins Myoglobin erhielten, war deutlich, dass seine Struktur für den Sauerstofftransport in Muskeln entscheidend ist. Seither lautet das Mantra der Biochemie: Proteinstruktur entspricht Proteinfunktion. Vereinfacht gesagt besitzen Proteine bestimmte Formen, die es ihnen ermöglichen, ihre Aufgaben zu erfüllen.

Die Proteine, aus denen biomolekulare Kondensate entstehen, durchbrechen diese Regel zumindest teilweise. Sie enthalten ungeordnete Bereiche, also Abschnitte ohne festgelegte Form. Als Forschende Anfang der 1980er-Jahre diese sogenannten intrinsisch ungeordneten Proteine, kurz IDPs, entdeckten, rätselten sie zunächst darüber, wie Proteine ohne stabile Struktur dennoch spezifische Funktionen ausüben können.

Später zeigte sich, dass IDPs häufig Kondensate bilden. Wie so oft in der Wissenschaft löste diese Erkenntnis ein Rätsel über die Aufgaben dieser unstrukturierten Außenseiterproteine in der Zelle – und warf zugleich eine noch grundlegendere Frage auf: Was genau sind biomolekulare Kondensate eigentlich?

Bakterienzellen und biomolekulare Kondensate

Forschende haben biomolekulare Kondensate auch in prokaryotischen, also bakteriellen, Zellen nachgewiesen. Traditionell wurden diese Zellen gerade dadurch definiert, dass sie keine Organellen enthalten. Dieser Befund könnte weitreichende Folgen für das Verständnis der Biologie prokaryotischer Zellen haben.

Nur etwa 6 Prozent der bakteriellen Proteine besitzen strukturlose, ungeordnete Bereiche. Bei eukaryotischen, also nicht bakteriellen, Proteinen liegt dieser Anteil dagegen bei 30 Prozent bis 40 Prozent. Dennoch haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere biomolekulare Kondensate in prokaryotischen Zellen gefunden, die an unterschiedlichen Zellfunktionen beteiligt sind, darunter an der Herstellung und dem Abbau von RNAs.

Dass biomolekulare Kondensate in Bakterienzellen vorkommen, zeigt, dass diese Mikroben keine einfachen Ansammlungen von Proteinen und Nukleinsäuren sind. Vielmehr sind sie komplexer, als bislang angenommen wurde.

Ursprünge des Lebens

Biomolekulare Kondensate verändern auch die Überlegungen von Forschenden zum Ursprung des Lebens auf der Erde.

Es gibt zahlreiche Hinweise darauf, dass Nukleotide – die Bausteine von RNA und DNA – unter sehr plausiblen Bedingungen aus gewöhnlichen Chemikalien wie Cyanwasserstoff und Wasser entstehen können. Dafür reichen übliche Energiequellen wie ultraviolettes Licht oder hohe Temperaturen sowie weltweit verbreitete Minerale wie Siliziumdioxid und Eisen-Ton aus.

Außerdem gibt es Belege dafür, dass einzelne Nukleotide sich spontan zu Ketten zusammenfügen und RNA bilden können. Dies ist ein entscheidender Schritt der RNA-Welt-Hypothese, nach der die ersten „Lebensformen“ auf der Erde RNA-Stränge waren.

Eine zentrale Frage lautet, wie diese RNA-Moleküle Mechanismen zur Selbstvervielfältigung entwickeln und sich zu einer Protozelle organisieren konnten. Da alles bekannte Leben von Membranen umschlossen ist, gingen Forschende zum Ursprung des Lebens meist davon aus, dass auch diese RNAs durch Membranen eingeschlossen werden müssten.

Dafür wäre die Synthese der Lipide oder Fette erforderlich, aus denen Membranen bestehen. Die Stoffe, die zur Herstellung von Lipiden nötig sind, waren auf der frühen Erde vermutlich jedoch nicht vorhanden.

Die Entdeckung, dass RNAs spontan biomolekulare Kondensate bilden können, bedeutet, dass zur Entstehung von Protozellen keine Lipide nötig wären. Wenn RNAs sich eigenständig zu biomolekularen Kondensaten zusammenlagern konnten, wird es noch plausibler, dass lebende Moleküle auf der Erde aus unbelebten Chemikalien hervorgingen.

Neue Behandlungsmöglichkeiten

Für mich und andere Forschende, die biomolekulare Kondensate untersuchen, ist es spannend, sich vorzustellen, wie diese regelbrechenden Gebilde unsere Sicht auf biologische Prozesse verändern werden. Kondensate beeinflussen bereits die Art, wie wir über menschliche Erkrankungen wie Alzheimer, Huntington und die Lou-Gehrig-Krankheit nachdenken.

Zu diesem Zweck entwickeln Forschende mehrere neue Ansätze, um Kondensate medizinisch zu beeinflussen – etwa durch neue Medikamente, die ihre Bildung fördern oder sie auflösen können. Ob dieser neue Weg zur Behandlung von Krankheiten erfolgreich sein wird, muss sich noch zeigen.

Langfristig würde es mich nicht überraschen, wenn jedem biomolekularen Kondensat schließlich eine bestimmte Funktion zugeordnet wird. Sollte das geschehen, werden Schülerinnen und Schüler im Biologieunterricht der Schule noch mehr lernen müssen – oder sich darüber beschweren können.

Allan Albig, außerordentlicher Professor für Biowissenschaften, Boise State University

Dieser Artikel wird unter einer Creative-Commons-Lizenz von The Conversation erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.