Hartmut Kuthan

Zufall im Leben der Zelle

Variation, Entwicklung und Evolution der Organismen

Engelsdorfer Verlag

Leipzig

2016

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;

detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Coverabbildung: Foto der mitotischen Spindel in einer menschlichen Zelle, die Mikrotubuli in grün, die Chromosomen (DNA) in blau und Kinetochoren in rot.

(Bild gemeinfrei von Afunguy aus der englischen Wikipedia.)

Copyright (2016) Engelsdorfer Verlag Leipzig

Alle Rechte beim Autor

Hergestellt in Leipzig, Germany (EU)

1. digitale Auflage: Zeilenwert GmbH 2016

www.engelsdorfer-verlag.de

Inhalt

Cover

Titel

Impressum

Vorwort

1 Die Ordnung des Lebenden

Das stochastische Paradigma

Leben und Nichtleben

Das mechanistische Modell des Lebens

Schrödingers Paradoxon der Ordnung

Schlüsselmoleküle des Lebens

Molarer Determinismus

Zellprozesse in der „Mittelwelt“

2 Molekulare Fluktuationen und Interaktionen

Brown’sche Molekularbewegung

Irrfahrt und Diffusion in der Zelle

Diffusionsabhängige Wechselwirkungen

Molekulare Schalter

Rezeptoren und Signalübertragung

3 Wider das Chaos: makromolekulare Komplexe

Der steinige Weg zum Makromolekül

Katalysatoren der Zellprozesse: Enzyme

Proteinkomplexe – die Akteure der Zelle

Brown’sche Motoren: Maxwell’sche Dämonen?

Dynamische Polymerstrukturen

Organisationsprinzipien zellulärer Kernprozesse

4 Vererbung und Zufallsprozesse

Gregor Mendel: Begründer der Genetik

Die Chromosomentheorie der Vererbung

Mitose-Spindel: Selbstaufbau oder Selbstorganisation?

Vom Genotyp zum Phänotyp

Stochastische Genexpression

5 Gen – ein Begriff im Wandel

Rätselhafte Erbeinheiten

Genome und Transkriptome

Genmutationen und Quantenphänomene

Spontane Mutationen: reiner Zufall?

DNA-Korrekturlesen und Reparatur

Genetische Variation durch Rekombination

6 Biologische Variabilität und Entwicklung

Nicht-erbliche Variabilität

Epigenetische Information und Vererbung

Embryogenese, Zellteilung und klonale Variabilität

Entwicklung und Zellschicksal

Modularität und Robustheit molekularer Netzwerke

7 Evolution und Zufall

Darwin, Wallace und das Prinzip der Auslese

Phänotypische Variabilität und Reaktionsnorm

Werden erworbene Eigenschaften vererbt?

Neutrale Mutationen und Hypermutationen

Moderne Synthese, Neutrale Theorie und Gendrift

Evolutionäre Entwicklung (Evo-Devo)

Resümee

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

Register

Bildnachweis

Vorwort

Das auf René Descartes zurückgehende Maschinenbild der Lebewesen hat Jahrhunderte überdauert – bis zum heutigen Tag ist eine Vielzahl aus der Mechanik entlehnter Begriffe und Analogien in der Biologie gebräuchlich.

Andererseits hielten die Begriffe Zufall und Wahrscheinlichkeit mit den umwälzenden Theorien der Evolution und der Vererbung im neunzehnten Jahrhundert Einzug in das biologische Gedankengebäude. Doch dies bedeutete nicht das Ende des mechanisch-deterministischen Paradigmas. Das reduktionistische Vorgehen, die Fragmentierung der Zellen und subzellulären Strukturen, und die Anwendung chemischer und physikalischer Untersuchungsmethoden haben zu einer bewundernswerten Aufklärung der molekularen Details vieler Zellprozesse geführt – aber auch zur Dominanz mechanistischer Modelle und deterministischer Erklärungsmuster. Indessen haben systembiologische Untersuchungen zu der Erkenntnis geführt, dass sich die molekularen Kernprozesse der Zelle adäquat durch verschachtelte Netzwerke interagierender Makromoleküle beschreiben lassen – und diese Interaktionen sind stochastischer Natur. Besonders klar tritt dies bei der Genexpression zutage.

Dennoch werden viele zelluläre Prozesse, deren Stochastizität inzwischen erwiesen ist, in den einschlägigen Lehrbüchern nach wie vor als deterministische Vorgänge dargestellt. Das vorliegende Buch soll dazu beitragen, die überholten Sichtweisen zu überwinden. Zur Beleuchtung des stochastischen Paradigmas, vornehmlich in der Zellbiologie, Genetik, Entwicklungs- und Evolutionsbiologie, werden fundamentale Prozesse vorgestellt. Molekulare Interaktionen und Zellprozesse stehen dabei im Vordergrund; die biophysikalischen und biochemischen Grundprinzipien sind Gegenstand der ersten drei Kapitel. Eine umfassende Darstellung ist jedoch weder möglich noch zweckdienlich. Vielmehr wird der Schwerpunkt auf instruktive Prozesse und Modelle gelegt und die Bedeutung grundlegender Ideen und Begriffe aufgezeigt. Hierzu sollen auch die Schilderungen der historischen Hintergründe und Meilensteine experimenteller und begrifflicher Entwicklungen beitragen.

Weiterhin wird der Nachvollziehbarkeit der Fakten und Interpretationen großer Wert beigemessen; zentrale Aussagen werden durch Verweise auf Originalarbeiten, Übersichtsartikel oder anderweitige Quellen belegt und gegebenenfalls durch Anmerkungen im Anhang ergänzt und verdeutlicht.

Nicht zuletzt habe ich eine elementare Darstellung angestrebt, insbesondere molekulare Mechanismen werden auf das notwendig erscheinende Ausmaß beschränkt, damit die Leitideen und wesentlichen Prinzipien klarer hervortreten. Einer zu starken Vereinfachung steht allerdings die atemberaubende Komplexität der molekularen Lebensprozesse entgegen. Letztendlich sollen aber auch die mehr oder weniger schwierig erscheinenden Details das vorrangige Ziel dieses Buches unterstützen – die Erhellung des faszinierenden Wechselspiels von Gesetzmäßigkeit und Zufälligkeit im Zellgeschehen.

Hartmut Kuthan

August 2015

1 Die Ordnung des Lebenden

In der lebendigen Natur geschieht nichts, was nicht in einer Verbindung mit dem Ganzen stehe (…)

Johann W. v. Goethe1

Das stochastische Paradigma

Leben ist ein Wunderwerk der Natur, faszinierend und rätselhaft wie kaum ein anderes Naturphänomen.

Wie Gegenpole zu dem geordneten Erscheinungsbild lebender Organismen, den Generation für Generation wiederkehrenden arttypischen Merkmalen und Eigenschaften, erscheinen dagegen „Zufall“ und Chaos: Sinnbilder für Unsicherheit, Unvorhersagbarkeit und Unordnung.2 Es ist eine verwirrende Vorstellung, dass unsichere Ereignisse mit der eindrucksvollen Organisation der Organismen, ihren staunenswerten Lebenszyklen, ihrer Anpassungs- und Überlebensfähigkeit in einer sich ständig verändernden Umwelt, im Einklang stehen. Dennoch ist dies der Fall: Mit der Evolutionstheorie von Charles Robert Darwin (1809 - 1882) und Alfred Russel Wallace (1823 - 1913), den Untersuchungen von Gregor Johann Mendel (1822 - 1884) zu den Gesetzmäßigkeiten der Vererbung von qualitativen Merkmalen und von Francis Galton (1822 - 1911) zur statistischen Analyse und Modellierung der Variabilität in biologischen Populationen fanden Zufall und Wahrscheinlichkeit Eingang in die klassische Biologie. Als grundlegend für die genetische Variation in höheren, geschlechtlich fortpflanzenden Organismen erwies sich die zufällige Vereinigung der Geschlechtszellen (Eizellen und Spermien) bei der Befruchtung, die bereits Mendel vorwegnahm. Die dem „Zufall“ überlassene Aufteilung der elterlichen Chromosomen während der Reduktionsteilung der Meiose, die der Bildung der reifen Geschlechtszellen mit einfachem Chromosomensatz vorangeht, und der Nachweis von ungerichteten, bleibenden Veränderungen (Mutationen) der Erbsubstanz (DNA oder RNA) sind weitere hervorstechende biologische Rollen zufälliger Ereignisse.3

Darüber hinaus wurde in den vergangenen zwei Jahrzehnten eine Fülle experimenteller Belege dafür gefunden, dass fundamentale molekulare Zellprozesse stochastischer Natur sind, etwa die Verdopplung und Rekombination der DNA oder die als Genexpression bezeichneten Prozesse, die zur Proteinbiosynthese hinführen.4 Wir können daher von einem Aufstieg des stochastischen Paradigmas in der Biologie sprechen.

Doch verfügen wir über geeignete Bezeichnungen und Begriffe, um Lebensvorgänge auf der Zell-, Zellverbands- und Organismenebene angemessen zu beschreiben? Können insbesondere Maschinen, mit ihren Zahnrädern, Achsen, Hebeln und Bolzen, auch weiterhin bestehen? Benötigen wir mechanische und andere bildhafte Analogien? Tatsächlich sind Metaphern in der Wissenschaftssprache allgegenwärtig. Ohne Analogien und begriffliche Metaphern kommen wir offenbar nicht aus.5

Leben und Nichtleben

Biologie ist die Wissenschaft vom Leben, so die wörtliche Übersetzung. In dieser Definition steckt ein vieldeutiges Wort – Leben. Im eingeschränkten Sinn ist lebend oder lebendig das auszeichnende Charakteristikum von bestimmten Naturobjekten – den Lebewesen oder Organismen. Weniges fasziniert die Menschen so stark wie die Frage, wie sich lebende und nicht-lebende Objekte voneinander unterscheiden. Doch bis heute gibt es keine allgemein anerkannte Definition von lebend. In modernen (Lehr-)Büchern der biologischen Wissenschaften sucht man in der Regel vergebens nach einer Begriffsbestimmung von lebend oder Lebewesen. Aber die Frage, wie biologisches Leben definiert werden kann, gewann nicht zuletzt durch die Suche nach extraterrestrischen Lebensformen an Bedeutung.6 Im Jahre 2002 nahm sich der bekannte Biochemiker Daniel E. Koshland Jr. eines Aspektes dieser fundamentalen Frage an. Er formulierte sieben Säulen, auf denen lebende Systeme basieren; gemeint sind „wesentliche Prinzipien – thermodynamische und kinetische –, durch welche ein lebendes System operiert“:

 Programm – ein organisierter Plan, der in der DNA implementiert ist, welcher die Bestandteile und ihre kinetische Wechselwirkungen beschreibt;

 Improvisation – um das Überleben zu sichern, kann eine Programmänderung nötig werden, die durch einen Mutationsprozess plus Selektion erreicht werden kann;

 Kompartimentierung – lebende Organismen sind von einer Hülle (Haut), Zellen von einer Membran umgeben.

 Energie – [das lebende] System ist nicht im Gleichgewicht, sondern ein thermodynamisch offenes Stoffwechselsystem, im Energie- und Stoffaustausch mit der Umwelt;

 Regeneration – Ersatz von chemischen Stoffen durch Diffusion oder aktiven Transport in das Lebewesen; Resynthese der Bestandteile und Regeneration durch Zellteilung und Fortpflanzung;

 Anpassungsfähigkeit – notwendige fundamentale Verhaltensantwort (Rückkopplung) – Teil des Programms, zur Sicherung des Überlebens;

 Abschottung – ungestörter Ablauf von simultan ablaufenden Reaktionen in winzigen Volumina der lebenden Zelle, ermöglicht durch die Spezifität der Enzyme; Spezifität auch bei Interaktionen der DNA und RNA.7

Diese Charakterisierung lebender Organismen ist dem Reduktionismus verpflichtet. Es gibt jedoch keinen Zweifel: Biologisches Leben ist ein emergentes Phänomen, das an die strukturelle und funktionelle Lebenseinheit – eine intakte Zelle – gebunden ist; Zellorganellen wie der Zellkern und molekulare Zellbestandteile sind unbelebt. Im einfachsten Fall, bei Einzellern, repräsentiert eine einzige Zelle einen Organismus. Die Entwicklung neuer Individuen, einschließlich des Menschen (Homo sapiens), geht immer von einer Zelle aus; neue Zellen entstehen nicht von Grund auf neu, sondern durch Zellteilung. Dieser Grundpfeiler der Zell- und Entwicklungsbiologie wurde bereits 1852 von Robert Remak (1815 - 1865) klar erkannt.8

Die erdgebundenen Lebensformen, die einzigen, die wir kennen, sind historisch entstanden – in einem circa 3,8 Milliarden Jahre andauernden Evolutionsprozess, der, wie die kosmologische Entwicklung, keineswegs abgeschlossen ist. Zu den herausragenden Ergebnissen der molekularen Evolution gehört die Bildung von Makromolekülen wie Nukleinsäuren und Proteinen mit selbstreplikativen und katalytischen Eigenschaften und die Entstehung von reproduktionsfähigen Zellen. Entscheidende Etappen auf dem Weg zu komplexer aufgebauten Lebewesen waren die Übergänge von der prokaryotischen zur eukaryotischen Zelle und vom einzelligen zum mehrzelligen Organismus. Der Reproduktion von Bakterien und eukaryotischen Zellen durch Zellteilung geht die Verdopplung der DNA voraus.

Das mechanistische Modell des Lebens

Wir kommen nun zu der Frage, was denn lebende Organismen von Maschinen unterscheidet. Es war Immanuel Kant (1924 - 1804), der 1790 in seinem Werk „Kritik der Urteilskraft“ eine scharfsinnige Analyse vornahm. Kant führte aus, dass ein Naturprodukt (Lebewesen) „als organisiertes und sich selbst organisierendes Wesen“ anzusehen sei, in dem „die Teile desselben sich dadurch zur Einheit des Ganzen verbinden, daß sie voneinander wechselseitig Ursache und Wirkung ihrer Form sind.“9

In heutiger Fassung: Es sind komplexe Formen der zirkulären Kausalität und die autonome Selbstorganisation, welche die selbstreproduktiven Zellen und mehrzelligen Organismen von Maschinen unterscheiden.10

Dem Maschinenbild der Lebewesen erteilt Kant eine Absage, die an Klarheit nichts zu wünschen übrig lässt:

In einer Uhr ist ein Teil das Werkzeug der Bewegung der anderen, aber nicht ein Rad die wirkende Ursache der Hervorbringung der anderen; ein Teil ist zwar um des anderen willen, aber nicht durch denselben da (…) Daher bringt auch so wenig, wie ein Rad in der Uhr das andere, noch weniger eine Uhr andere Uhren hervor, so daß sie andere Materie dazu benutzte (sie organisierte); (…) oder bessert sich etwa selbst aus, wenn sie in Unordnung geraten ist: welches alles wir dagegen von der organisierten Natur erwarten können. – Ein organisiertes Wesen ist also nicht bloß Maschine (…)11

Kants erhellende Ausführungen zum Maschinenbild lebender Organismen sind von der Mehrzahl der Biologen mehr als ein Jahrhundert lang ignoriert worden. Rudolf Virchow (1821 - 1902) verkündete Mitte des 19. Jahrhunderts, im Einklang mit der vorherrschenden antivitalistischen Position, die mechanistische Auffassung des Lebens mit den Worten:

Leben ist nur eine besondere Art der Mechanik, und zwar die allerkomplizierteste Form derselben (…)12

Anderthalb Jahrhunderte später beobachtete der Physiker Paul Davies:

In völligem Gegensatz zum Vitalismus steht die mechanistische Theorie des Lebens. Ihr zufolge sind lebende Organismen komplexe Maschinen, die nach den bekannten Gesetzen der Physik funktionieren (…) Die mechanistische Theorie des Lebens macht vom Maschinenjargon freizügig Gebrauch. Lebende Zellen werden als <<Fabriken<< bezeichnet, die letztlich von DNA-Molekülen >>gesteuert<< werden; diese organisieren die <<Montage<< von molekularen >>Grundeinheiten<< zu größeren Strukturen nach einem >>Programm<<, das verschlüsselt in der molekularen Apparatur steckt.13

Daviesʼ Beobachtung könnte, mit Ausnahme der umstrittenen Steuerung des Zellgeschehens durch ein „Programm“, auch als aktuelle Bestandsaufnahme problemlos durchgehen.

Mechanistische Erklärungen der Lebensvorgänge lassen sich bis zu René Descartes (1596 - 1650) zurückverfolgen. Im 18. und 19. Jahrhundert bildete die mechanistische Auffassung der Lebensprozesse ein Gegengewicht zur Annahme einer Lebenskraft (lat. vis vitalis). Vitalistische Ansichten vertraten im 19. Jahrhundert herausragende Wissenschaftler wie der Physiologe Johannes P. Müller (1801 - 1858), der Chemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur (1822 - 1895) und später der Entwicklungsphysiologe und Philosoph Hans A. Drisch (1867 - 1941). Eine antivitalistische, mechanistische Gegenposition vertraten Justus von Liebig (1803 - 1873), Hermann von Helmholtz (1821 - 1894) und der mit diesem befreundete Physiologe Emil H. du Bois-Reymond (1818 - 1896) sowie Jacques Loeb (1859 - 1924); Letzterer vertrat eine extrem mechanistische Auffassung des Lebens.14

Damit drängt sich die Frage auf, was denn unter Maschine, und vor allem unter Mechanismus, zu verstehen ist. Beide Begriffe – oder vielmehr Metaphern – beherrschen seit den triumphalen Erfolgen der Molekularbiologie in den 1950er und 1960er Jahren bis in die Gegenwart die biochemischen und zellbiologischen Erklärungsmuster. Für den Begriff Mechanismus finden sich in Nachschlagewerken vielerlei Bedeutungen, von denen uns vor allem zwei interessieren. Einerseits bezeichnet Mechanismus die Anordnung verbundener Teile in einer Maschine; diese Bedeutung veranschaulicht den engen, wechselseitigen Zusammenhang der Begriffe Maschine und Mechanismus.15 „Mechanismus“ hat außerdem die Bedeutung einer Folge von aufeinanderfolgenden Schritten in einer (bio-)chemischen Reaktion – geläufig als „Reaktionsmechanismus“ oder verallgemeinert als „molekularer Mechanismus“.

Überdies sprechen biologische Fachtexte von Mechanismen der Vererbung, der Befruchtung, der Meiose, Mitose und sogar von Mechanismen der Evolution.

Maschinen können äußerst kompliziert sein, sind sie auch komplex? Und ist das Adjektiv kompliziert, das Rudolf Virchow in der Steigerung „allerkomplizierteste Form“ verwendet, geeignet, die vernetzten molekularen Prozesse einer Zelle zu beschreiben? Betrachten wir eine modular aufgebaute mechanische Maschine, etwa ein Uhrwerk. Ein Uhrwerk kann in seine Teile zerlegt und wieder zusammengesetzt werden: Uhren sind „nur“ sehr kompliziert – nach einem detaillierten Konstruktionsplan aufgebaut; ihre Funktionsweise kann durch das Studium der einzelnen Teile verstanden werden.

Komplexe Systeme sind hingegen durch emergente Eigenschaften charakterisiert. Unter Emergenz versteht man Eigenschaften des Gesamtsystems, welche nicht aus den Eigenschaften der Teilsysteme ableitbar sind, wie die Eigenschaft „lebend“ der integrierten Zelle aus den Eigenschaften der isolierten Organellen (Zellkern, Mitochondrien usw.) und des Zytoplasmas. Hinzu kommt, dass schon die genannten Teilsysteme der Zelle, supramolekulare Strukturen und aus mehreren Komponenten bestehende Makromoleküle eine hochkomplexe Ordnung und emergente Eigenschaften aufweisen. Es ist offensichtlich: Emergenz stellt eine neuzeitliche Variante des aristotelischen „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile“ dar. Lebend ist sicherlich diejenige emergente Eigenschaft, welche nach wie vor das faszinierendste Rätsel der Biologie darstellt.16 Dies führt uns weiter zu der Frage nach der Entstehung und dem Wesen der Ordnung lebender Systeme.

Schrödingers Paradoxon der Ordnung

Im Jahre 1944 erschien „What is Life?“ von Erwin Schrödinger. Als Mitbegründer der modernen Quantentheorie Mitte der 1920er zählt Schrödinger zu den Physikern ersten Ranges. So ist es nicht allzu verwunderlich, dass seine Vorträge, und das hierauf basierende Buch, über die rätselhaften Prinzipien der biologische Ordnung, die molekulare Natur und die Funktionsweise der Gene auf große Resonanz stießen.17 Aber wieso hält ein theoretischer Physiker eine Vorlesungsreihe über grundlegende Fragen der Biologie und publiziert seine spekulativen Ideen anschließend auch noch? Das lässt auf ein tiefes Interesse schließen, ein intellektuelles Bedürfnis des „Homo universalis“ Schrödinger, das ihn drängte, die im Vorwort geäußerten Bedenken, sich über eine fachfremde Thematik zu äußern, beiseite zu schieben. Tatsächlich war der 1887 in Wien geborene Physiker seit seiner Jugend mit grundlegenden Theorien der Biologie, einschließlich Darwins Evolutionstheorie, vertraut. Dies verdankte er jedoch nicht dem Gymnasialunterricht, sondern seinem Vater. Rudolf Schrödinger war ausgebildeter Chemiker – und leidenschaftlicher Botaniker; seine Kenntnisse in der Botanik gingen weit über den Amateurstatus hinaus. Erwin Schrödinger wurde so nach eigenem Bekunden bereits in jungen Jahren ein begeisterter Anhänger des Darwinismus, und blieb dies sein Leben lang.18 Zusätzlichen Ansporn, sich intensiver mit biologischen Themen zu befassen, bot eine Abhandlung über die Natur der Gene und der Genmutationen, verfasst von dem Genetiker Nicolaj W. Timoféeff-Ressovsky (1900 - 1981) und den Physikern Max Delbrück (1906 - 1981) und Karl G. Zimmer (1911 - 1988). Ein Exemplar dieser Arbeit gelangte auf Umwegen in Schrödingers Hände.19

Einem der drei Autoren, dem fast 20 Jahre jüngeren theoretischen Physiker Max Delbrück, war Schrödinger gegen Ende seiner Berliner Zeit – als Nachfolger von Max Planck (1858 - 1947) auf dem Lehrstuhl für theoretische Physik – im Jahre 1933 in Berlin wiederholt begegnet. Und als Schrödinger 1943 in Dublin die wegweisende „Drei-Männer-Arbeit“, die wegen ihres grünen Umschlags auch als „grünes Pamphlet“ bezeichnet wurde, in die Hände bekam, war Max Delbrück längst zur Biologie gewechselt.20

Die „Drei-Männer-Arbeit“ beflügelte Schrödinger, er ließ seine anderen Projekte vorübergehend ruhen und widmete sich intensiv der mysteriösen Stabilität der Gene und deren erbliche Veränderungen. Da er bereits zuvor begonnen hatte, sich mit der Thematik auseinanderzusetzen, kam er schnell voran.

Uns interessiert hier in erster Linie Erwin Schrödingers Paradoxon der molekularen Ordnung, das er in den geordneten Abläufen der Organismen zu erkennen glaubte. In seinem kurzen, zum Klassiker avancierten, Buch betonte Schrödinger einleitend, dass es ihm um einen einzigen Gedanken gehe – „eine kleine Erklärung zu einer großen und bedeutsamen Frage“:

Wie lassen sich die Vorgänge in Raum und Zeit, welche innerhalb der räumlichen Begrenzung eines lebenden Organismus vor sich gehen, durch die Physik und die Chemie erklären?21

Schrödinger wusste, dass Chromosomen die materiellen Träger der Vererbung sind, und er entwickelte die geniale Idee eines Codes, den er in der Chromosomenstruktur verwirklicht sah. Doch ignorierte er die damals längst bekannten Biokatalysatoren, die Enzyme, die er als wesentliche Protagonisten der „Exekutive“ in der Entwicklung der Organismen hätte in Betracht ziehen können. So kam er zu der frappierenden Auffassung, dass die Chromosomen nicht nur die Träger eines vollständigen Codes (genauer: zweier Sätze desselben) sind, sondern:

Die Chromosomenstrukturen (…) sind zugleich Gesetzbuch und ausübende Gewalt, Plan des Architekten und Handwerker des Baumeisters.22

Ein gravierender Irrtum. Doch dieser führte zu einem interessanten Fragenkomplex und stimulierenden Ideen zur Ordnung des Zellgeschehens.

Die irrigen Vorstellungen über die Funktion der Chromosomen stellten Schrödinger vor ein Dilemma: Die Chromosomenstruktur, das heißt die von ihm postulierte „hochorganisierte Atomgruppe“, die „das leitende Prinzip in jeder Zelle“ verkörpere, ist nur in einem Exemplar oder – in diploiden Zellen – zwei Exemplaren vorhanden.

Was bedeutete diese Tatsache für die in den Organismen verwirklichten molekularen Ordnungsprinzipien? Erwin Schrödinger war nicht nur Quantenphysiker, sondern aufgrund zahlreicher eigener Untersuchungen auch ein ausgewiesener Experte der statistischen Physik. Wie sollte er die beiden Beobachtungstatsachen zusammenführen, dass die in „mustergültiger Ordnung“ ablaufenden Vorgänge durch eine „einzigartige Atomverbindung“ verursacht werden, die nur in einer Kopie oder doppelt vorhanden ist? Die bekannten statistischen Gesetze der Physik beruhen, wie er anschaulich auseinandersetzt, auf dem Zusammenwirken einer ungeheuer großen Zahl von Atomen oder Molekülen. Einzelne Atome oder Moleküle zeigen nur ein regelloses (chaotisches) Verhalten, erst durch das Zusammenwirken einer großen Anzahl von Atomen oder Molekülen treten Gesetzmäßigkeiten in Erscheinung.23 Er musste daher einen neuen „Mechanismus“ postulieren, den er mit Ordnung aus Ordnung umschrieb. Schrödinger fasste seine Überlegungen zur geordneten Entfaltung der befruchteten Eizelle zum vollentwickelten Organismus wie folgt zusammen:

Offenbar gibt es zwei verschiedene >>Mechanismen<< zur Erzeugung geordneter Vorgänge, den >>statistischen Mechanismus<<, der Ordnung aus Unordnung erzeugt, und den neuen Mechanismus, der <<Ordnung aus Ordnung<< schafft.24

Der neue Mechanismus sei eine besondere Art Uhrwerk, dessen Zahnräder feinste Meisterstücke darstellen, vollendet nach den Leitprinzipien der Quantenmechanik. Die Ähnlichkeit zwischen Uhrwerk und Organismus beruhe darauf,

daß der Organismus ebenfalls in einem festen Körper verankert ist – dem aperiodischen Kristall, der die Erbsubstanz bildet und der Unordnung aus Wärmebewegung weitgehend entzogen ist.25

Bei diesen spekulativen Vorstellungen wurden Chemie und Biochemie, speziell die zellulären Makromoleküle, völlig ignoriert, doch sie befeuerten das Interesse an der Natur der Gene.

Schlüsselmoleküle des Lebens

Es dauerte nur zehn Jahre bis der „aperiodische Kristall“, mit der Doppelhelix-Struktur der Desoxyribonukleinsäure (DNA) – dem Watson-Crick-Modell –, seine adäquate Identität fand, und das Gen, lange Zeit nur ein abstrakter Begriff, endlich die gesuchte molekulare Basis erhielt (Abbildung 1).

ABBILDUNG 1: DNA-Doppelhelix (Watson-Crick-Modell).

Innerhalb von weiteren zehn Jahren wurde sowohl der molekulare Mechanismus der Vererbung, die semikonservative Verdopplung der DNA, als auch der genetische Code aufgeklärt. Maßgeblichen Anteil an der Aufklärung des nicht-überlappenden Triplett-Codes hatte Francis H. Crick (1916 - 2004), der zuvor die Adapter-RNA (Transfer-RNA, tRNA) postuliert hatte.26 Damit rückte die DNA in das Zentrum der Molekulargenetik, und in den 1970ern in den Fokus der Zell- und Entwicklungsbiologie. Das DNA-zentrische Bild der Lebensprozesse fand seinen klarsten Ausdruck in dem von Francis Crick im Jahre 1958 formulierten zentralen Dogma der Molekularbiologie, welches die Richtung des genetischen Informationsflusses zum Ausdruck brachte: Die Information „fließt“ bei der Expression proteincodierender Gene – der Transkription („Umschreiben“ in Boten- oder Messenger-Ribonukleinsäure, mRNA) und nachfolgenden Translation („Übersetzen“ in ein Protein) – von der DNA-Sequenz über die mRNA zum Protein, (fast) niemals zurück. Information wurde zu einer Schlüsselmetapher der Molekularbiologie.27

Zentrales Charakteristikum des universellen genetischen Codes: Je drei Nukleotidbasen (Triplett) der DNA codieren eine Aminosäure, bilden ein Codon. Nicht-überlappende Sequenzen von Codons sind die molekularen Träger der genetischen Information für die Erzeugung korrespondierender Aminosäuresequenzen – Polypeptide oder Proteine. Paradoxerweise sind es von der codierenden DNA determinierte Enzyme, welche die Biosynthese der Nukleinsäuren (DNA, mRNA et cetera) bewerkstelligen. Die von Erwin Schrödinger ausgeklammerten Enzyme kamen so schließlich doch noch ins Spiel. Weder die DNA noch die Boten-RNA sind autarke Makromoleküle; sie müssen vielmehr synthetisiert, modifiziert, ediert und repariert (DNA) werden. Diese mannigfaltigen Funktionen üben, im Zusammenspiel mit regulatorischen Proteinen, Multiprotein- und Ribonukleoproteinkomplexe aus, insbesondere Motorenzymkomplexe. Für uns ein Grund, das Kapitel 3 den Proteinen und Nukleinsäuren sowie deren Komplexen zu widmen.

Und hierfür gibt es noch einen weiteren Grund. Mit den enzymatischen und regulatorischen Funktionen von Proteinkomplexen, vor allem in den zentralen molekulargenetischen Prozessen, taucht das statistische Paradoxon Schrödingers in modifizierter Form wieder auf, unbeachtet, da sich die Diskussionen in der „goldenen Ära“ der Molekularbiologie auf regulatorische Aspekte – und die scheinbar alles klarstellenden molekularen Mechanismen – konzentrierten. Schließlich war ja der gesuchte Hauptmechanismus für die Stabilität der Vererbung gefunden: Die identische Verdopplung (Replikation) der DNA ist matrizengesteuert. Als Matrizen für die Synthese der komplementären Stränge dienen die Einzelstränge der Doppelhelix, desgleichen bei der Transkription der DNA in die komplementäre mRNA. Dieses Prinzip findet sich in modifizierter Form auch bei der Proteinbiosynthese: Die zu den Codons der mRNAs komplementären Anticodons spezifischer tRNAs gewährleisten die Zuordnung der Aminosäuren. Hierbei wird der genetische Code umgesetzt, indem jeweils bestimmte Aminosäuren an den spezifischen tRNAs gebunden vorliegen.28 Die mechanistischen Details dieser „Ordnung aus Ordnung“ erzeugenden molekularen Prozesse der Replikation und Genexpression sind in bewunderungswürdigem Ausmaß aufgeklärt worden; dabei trat zunehmend die atemberaubende Komplexität und Vernetzung der zellulären Prozesse zutage.

Doch wie bei Schrödingers ursprünglicher „Beobachtungstatsache“ liegen die DNA-Moleküle (oder RNA-Moleküle bei bestimmten Viren und Phagen) und die mRNAs – und folglich die makromolekularen Matrizen – jeweils nur in einer oder wenigen Kopien vor. Und wie sieht es mit den enzymatisch oder regulatorisch aktiven Proteinkomplexen aus, die in diesen „Ordnung aus Ordnung“ erzeugenden molekularen Kernprozessen involviert sind? – Wie groß ist deren Anzahl? Wenn Schrödingers „statistischer Mechanismus“, der auf dem Gesetz der großen Zahlen beruht, den hochpräzisen Ablauf der Nukleinsäure- und Proteinbiosynthesen und vieler anderer enzymatischer Reaktionen und nicht-enzymatischer Interaktionen in der Zelle sicherstellen müsste, wäre eine sehr große Anzahl von all den verschiedenen interagierenden hoch- und niedermolekularen Molekülen nötig – und entsprechend große Zellvolumina.

Offensichtlich ist dies nicht der Fall. Bakterien und viele eukaryotische Zellen sind außerordentlich klein. Das Darmbakterium Escherichia coli (E. coli), benannt nach seinem Entdecker, dem Kinderarzt Theodor Escherich (1857 - 1911), ist etwa 2 bis 3 Mikrometer (µm) lang, bei einem Durchmesser der stäbchenförmigen Zelle von rund 1 µm (siehe Abbildung 2); hieraus resultiert das winzige Volumen von etwa zwei Femtoliter (2·10⁻¹⁵ Liter). Selbst vergleichsweise große Zellen wie die Eizellen der Säugetiere haben einen Durchmesser von gerade einmal 1/​10 Millimeter.29 Und wie wir noch sehen werden, sind beispielsweise regulatorische Proteine wie die Transkriptionsfaktoren oft nur in wenigen Kopien vorhanden, desgleichen bestimmte essentielle Enzyme wie DNA-Polymerasen und mit diesen assoziierte Motorenzyme.

In der Evolution der Zelle wurde auch dieses scheinbare Dilemma gelöst: Proteine und Nukleinsäuren, vor allem die einzigartigen Eigenschaften und interaktiven Funktionen der molekularen Motoren, sowie funktionelle Mikrokompartimente ermöglichen es, das Gesetz der großen Zahlen (und die korrespondierenden großen Volumina) zu umgehen.

Molarer Determinismus

1946 erschien ein Buch mit dem Titel „The chemical kinetics of the bacterial cell“ von Cyril Hinshelwood (1897 - 1967). In diesem Buch wurde der Versuch unternommen, die Prinzipien der klassischen chemischen Kinetik auf Reaktionen in der Bakterienzelle anzuwenden. Ist das gerechtfertigt? – Hinshelwood nahm an, dass Bakterien keine Grobstruktur haben, eine Ansicht, die sich bis in die 1990er Jahre wiederfindet. Aber er äußerte die vorausschauende Ansicht, dass die Zellprozesse eine raum-zeitliche Organisation aufweisen. Ferner diskutierte er die „Autosynthese“ von Makromolekülen – Proteine, Polysaccaride und Nukleinsäuren –, wobei man von Letzteren „allgemein annahm, dass sie eine Schlüsselrolle in den Zellprozessen spielen.“30

ABBILDUNG 2: E. coli-Bakterien (elektronenmikroskopische Aufnahme).

Freilich dauerte es noch mehr als ein Jahrzehnt, bis fundierte Ergebnisse zunehmend an die Stelle von Vermutungen traten. Inzwischen ist unbestritten, dass nicht nur eukaryotische Zellen, sondern auch Bakterien eine komplexe, dynamische Organisation aufweisen. Darüber hinaus unterscheiden sich die Reaktionsbedingungen in Bakterienzellen fundamental von denen im Reagenzglas.

Im Folgenden werden wir auf einige grundlegende physikochemische Begriffe und Theorien eingehen, die für das Verständnis der molekularen Zellprozesse unentbehrlich sind, und die uns zum Leitthema des Buches – Stochastizität von Zellprozessen – zurückführen werden. Da ist zunächst der Begriff der Konzentration. Konzentrationen der Reaktionspartner erscheinen als unabhängige Variable in den kinetischen Gleichungen chemischer Reaktionen. Gleiches gilt für die Beschreibung des chemischen Gleichgewichts – auch hier gehen die Konzentrationen der Reaktionspartner ein, die üblicherweise in Mol pro Einheitsvolumen ausgedrückt werden. Ein Mol eines Stoffes enthält die gigantische Zahl von circa 6,022·10²³ Atomen oder Molekülen, als Avogadro-Konstante bekannt, weshalb hier das Gesetz der großen Zahlen beziehungsweise Schrödingers „statistischer Mechanismus“ der Ordnung greift. Der gesetzmäßige Zusammenhang für das chemische Gleichgewicht wird als Massenwirkungsgesetz (MWG) bezeichnet; er wurde erstmals in den Jahren 1864 bis 1867 auf der Grundlage von kinetischen Überlegungen (Betrachtung der Hin- und Rückreaktionen) von dem Mathematiker Cato M. Guldberg (1836 - 1902) und seinem Schwager, dem Chemiker Peter Waage (1833 - 1900), formuliert, später von Josiah W. Gibbs (1839 - 1903) aus den thermodynamischen Potentialen für das chemische Gleichgewicht abgeleitet.31

Die klassischen Theorien der chemischen Kinetik und der phenomenologischen Thermodynamik, speziell das MWG, verkörpern den makroskopischen Determinismus; sie repräsentieren (nahezu) exakte Gesetze und ermöglichen genaue Voraussagen. So sind beispielsweise die das dynamische chemische Gleichgewicht charakterisierenden Konstanten durch den Quotienten der molaren Konzentrationen der Ausgangs- und Endprodukte gesetzmäßig festgelegt. Max Planck, der einen Großteil seiner aktiven wissenschaftlichen Laufbahn thermodynamischen Untersuchungen widmete, benutzte hierfür den Ausdruck Determinismus in der Molarwelt. Weiterhin konstatierte er, dass

Größenordnungsgebiete niemals durch scharfe Grenzlinien getrennt sind, sondern stets allmählich ineinander übergehen. Wir wissen aus der Kolloidchemie und aus der Biochemie, daß es unmöglich ist, molare und molekulare Vorgänge prinzipiell voneinander zu unterscheiden.32

Diese Feststellung wurde durch spätere biophysikalische Untersuchungen bestätigt: Zwischen die makroskopischen und mikroskopischen Systeme schiebt sich die, speziell für intrazelluläre Prozesse, äußerst bedeutsame „Mittelwelt“ der kleinen Systeme. Prozesse auf der physiologischen (interzellulären) Ebene, aber auch eine Reihe von intrazellulären Prozessen, sind im Rahmen des deterministischen Paradigmas beschreibbar. Doch sind es gerade die intrazellulären Kernprozesse, die als stochastisch erkannt wurden.

Zellprozesse in der „Mittelwelt“

Den Gegenpol zu makroskopischen physikalischen oder chemischen Systemen, die durch deterministische Gesetze beschrieben werden, bilden mikroskopische Systeme. Mikroskopische Systeme sind Gegenstand der Quantenmechanik und der statistischen Physik. Und: Ereignisse in der Quantenwelt sind unbestimmt. Dagegen treten – wie durch Zauberei – infolge des Zusammenwirkens einer sehr großen Zahl von Atomen oder Molekülen Gesetzmäßigkeiten und Muster auf, gleichsam „Ordnung aus dem Chaos“. Die sich nach 1900 entwickelnde Theorie stochastischer Prozesse eröffnete noch eine weitere Möglichkeit, nämlich Systeme von „mittlerer Größe“ quantitativ zu beschreiben; hier liegt die Zahl der Moleküle weit unterhalb der Avogadro-Konstante, aber hoch genug, damit die Beschreibung durch Mittelwerte charakteristischer Systemeigenschaften möglich wird. Solche Systeme werden als klein oder mesoskopisch bezeichnet. In mesoskopischen Systemen treten Fluktuationen (Schwankungen) um die Mittelwerte in Erscheinung, die in makroskopischen Systemen wegen ihrer geringen Größe vernachlässigbar sind.33

Viele Prozesse der Zelle gehören zur „Mittelwelt“ mesoskopischer Größenordnung; sie laufen in Zellkompartimenten ab. Zu den Zellkompartimenten zählen unter anderem der Zellkern, die Mitochondrien, die umgrenzenden Membranen und das Zytoplasma. Zur „Mittelwelt“ gehören insbesondere auch die oben angeführten „molekularen Motoren“, die wesentlich für die Durchführung der vitalen Kernprozesse der Zelle sind.

Einen wegweisenden, wenngleich fast 20 Jahre unbeachtet gebliebenen, Beitrag zur stochastischen Kinetik veröffentlichte Max Delbrück im Jahre 1940; als Erster behandelte er die Fluktuationen einer biochemischen Reaktion – die autokatalytische Bildung von proteinspaltenden Enzymen (Proteasen) aus deren inaktiven Vorstufen, den Proenzymen. Diese Reaktion ist zugleich geeignet, Schrödingers „statistischen Mechanismus“, die Abnahme der relativen Fluktuationen mit der Quadratwurzel der Molekülzahl, zu veranschaulichen (Abbildung 3).34

ABBILDUNG 3: Autokatalytische Umwandlung inaktiver Proenzymmoleküle in aktive Enzymmoleküle. Der Kurvenverlauf beschreibt das bekannte Quadratwurzel-Gesetz: die Abnahme der relativen Streuung (Variationskoeffizient) der Zahl gebildeter Enzymmoleküle mit zunehmender Anzahl der initial vorhandenen aktiven Moleküle – minimal ein Molekül. Hierbei wird angenommen, dass die Proenzymmoleküle in großem Überschuss vorliegen (Delbrück, 1940).

2 Molekulare Fluktuationen und Interaktionen

Die wahre Logik dieser Welt ist die Wahrscheinlichkeitsrechnung.

James Clerk Maxwell 1

Brown’sche Molekularbewegung

Der stochastischen Behandlung biochemischer Reaktionen zeitlich weit voraus ging die theoretische Beschreibung und experimentelle Bestätigung einer der bedeutendsten molekularen Fluktuationserscheinungen – der Brown’schen Molekularbewegung.

Die Wärmebewegungen der Atome und Moleküle sind ein fundamentales physikalisches Phänomen. In Wasser suspendierte Partikel oder gelöste Moleküle erfahren in jeder Sekunde die unvorstellbar große Anzahl von 10²¹ Stößen durch die sie umgebenden Flüssigkeitsmoleküle. Sichtbaren Ausdruck finden diese Kollisionen in den andauernden, unregelmäßigen Bewegungen, welche die suspendierten Partikel ausführen. Die erratischen Partikelbewegungen werden nach dem Botaniker Robert Brown (1773 - 1858) als Brown’sche Bewegung bezeichnet.2 Auch die (Makro-)Moleküle und makromolekularen Komplexe der Zelle unterliegen diesem Schwankungsphänomen. Dies mag paradox erscheinen, stehen doch die Wärmebewegung und die aus ihr resultierende Brown’sche Molekularbewegung für Unordnung – Chaos und Zufall – schlechthin. Doch wir werden sehen, dass keine Zelle, kein Organismus ohne Brown’sche Bewegung existieren könnte, zumindest keine der derzeit bekannten, terrestrischen Lebensformen.

Die Brown’sche Bewegung war noch lange Zeit nach ihrer sorgfältigen Untersuchung in den Jahren 1827 bis 1829 durch Robert Brown ein Kuriosum. Und Brown war nach eigenem Bekunden keineswegs der Erste, der die eigenartigen Zitterbewegungen beschrieb.3 Robert Brown war leidenschaftlicher Botaniker, der bedeutendste seiner Zeit. Sein Lebenswerk wurde aber nachfolgend durch Charles Darwin überschattet. Wie die mehrere Jahrzehnte jüngeren Naturforscher Charles Darwin und Gregor Mendel, war Brown Autodidakt; er hatte weder einen regulären Universitätsabschluss noch später eine Lehrfunktion an einer Universität.

Im Jahre 1827 beobachtete Brown Pollen der Atlasblume (Clarkia pulchella) unter dem Mikroskop. Hierbei fielen ihm innerhalb der Pollen Partikel von „ungewöhnlich großen Abmessungen“ auf. Als er die Form dieser in Wasser suspendierten Partikel untersuchte, bemerkte er, dass diese sich permanent bewegten. Bei weiteren Untersuchungen stellte sich dann heraus, dass nicht nur die Pollenpartikel oder „Moleküle“ – wie er sie nun auch nannte – anderer Pflanzen, sondern auch „Moleküle“ anorganischen Ursprungs wie Mineralien die imposanten Bewegungen vollführten. Selbst in ölumschlossenen Wassertropfen, die oft nur eine Partikel enthielten, war deren ununterbrochene Bewegung zu beobachten.

Nach einer anfänglichen Begeisterung für Browns Beobachtungen flaute das Interesse in den nächsten 30 Jahren indessen fast völlig ab. Erst nach Browns Tod, in den 1860ern, wurden Argumente vorgebracht, die Brown’sche Bewegung auf die Wärmebewegung der Flüssigkeitsmoleküle zurückzuführen. Trotzdem sich nun auch Physiker in die Diskussion einschalteten, dauerte es noch bis 1905, ehe die erste experimentell überprüfbare Theorie der Brown’schen Molekularbewegung von Albert Einstein (1879 - 1955) vorgelegt wurde. Nur ein Jahr später erschien in den Annalen der Physik von Marian von Smoluchowski (1872 - 1917) ebenfalls ein Artikel zur Theorie der Brown’schen Molekularbewegung.4

Wie bereits erwähnt, ist die Diffusion ein Fluktuationsphänomen. Die Ausgangs- oder „Startposition“ ist die wahrscheinlichste, mittlere Lage. Schwankungen um den Mittelwert, beobachtbar als Verschiebungen von der „Startposition“, werden durch ein Streuungsmaß – die Varianz – beschrieben. Wenn wir uns eine eindimensionale Diffusion entlang der x-Achse vorstellen, ergibt sich die Streuung oder Varianz als die mittlere quadratische Verschiebung von der Startposition. Die Beziehung des mittleren Verschiebungsquadrats zur Zeit leitete als Erster Einstein, in seiner Arbeit von 1905, ab. Entsprechend der Einstein’schen Gleichung ist die mittlere Verschiebung von der Startposition proportional zur Quadratwurzel aus der verflossenen Zeit. Mit Hilfe dieser Beziehung kann der Diffusionskoeffizient, der die diffusive Beweglichkeit charakterisiert, experimentell bestimmt werden. Theodor H. Svedberg (1884 - 1971) und nachfolgend, ab 1908, die Arbeitsgruppe um Jean-Baptiste Perrin (1870 - 1942) haben zunehmend präzisere Messungen vorgenommen; diese ermöglichten die Bestimmung der Anzahl der Moleküle in einem Mol, die Avogadro-Konstante, zu 6,4·10²³; der gegenwärtig akzeptierte Wert beträgt circa 6,022·10²³ mol⁻¹·⁴.

Albert Einstein und Marian von Smoluchowski erkannten auch den Zusammenhang zwischen der Brown’schen Molekularbewegung und der makroskopischen Diffusion: Letztere ist die Überlagerung (Superposition) der unabhängigen Brown’schen Bewegungen einer großen Zahl von Teilchen. Das war eine fruchtbare theoretische Einsicht, die eine Brücke zur mathematischen Wahrscheinlichkeitstheorie und zur statistischen Physik schlug. Die Diffusion einzelner Teilchen oder (Makro-)Moleküle kann mit einer formal ähnlichen Differenzialgleichung beschrieben werden wie die makroskopische Diffusion; hierbei tritt an die Stelle der Konzentration die Wahrscheinlichkeit beziehungsweise Wahrscheinlichkeitsdichte. Überdies sind Verallgemeinerungen wie der Einfluss von Kraftfeldern oder die Einbeziehung von Konvektion (Strömung) leicht möglich.

Schließlich war es nun prinzipiell möglich, bei längerer Verfolgung aus den von einem diffundierenden Teilchen oder (Makro-)Molekül während gleicher Zeitintervalle zurückgelegten Teilstrecken, die mittlere quadratische Verschiebung – und aus dieser den Diffusionskoeffizienten – zu bestimmen, sofern ausreichend empfindliche und genaue Nachweismethoden vorhanden sind.5

Irrfahrt und Diffusion in der Zelle

Es sind sowohl neue theoretische Ansätze als auch experimentelle Methoden, welche die Naturwissenschaften vorantreiben. Im Falle der Diffusionserscheinungen und deren Analyse ging die Theorie voran. Kongeniale biophysikalische und molekulargenetische Methodenentwicklungen ermöglichen es seit Mitte der 1990er Jahre, effektive Diffusionskoeffizienten auch in prokaryotischen Zellen wie E. coli und in eukaryotischen Zellen sowie deren Organellen experimentell zu bestimmen.6

Für die Beschreibung von diffusionsabhängigen molekularen Interaktionen und Transportphänomenen in der lebenden Zelle und ihren Kompartimenten brachten namentlich zwei methodische Entwicklungen den Durchbruch: die gentechnische Isolierung des Gens eines grün fluoreszierenden Proteins (GFP) und die Entwicklung leistungsfähiger Fluoreszenzmikroskope. GFP erwies sich als ein äußerst nützliches „molekulares Werkzeug“ zum Studium der Genexpression, der Lokalisierung und der Interaktionen von Proteinen in einzelnen Zellen. Sogar einzelne makromolekulare Komplexe, die sprichwörtlichen Nadeln im Heuhaufen, konnten nun in lebenden Zellen lokalisiert und zeitlich „verfolgt“ werden. Den entscheidenden Anstoß lieferte eine 1994 erschienene Arbeit, in der gezeigt wurde, dass GFP auch bei der rekombinanten Expression, als fusioniertes Protein, in verschiedenen Zelltypen, unter anderem in E. coli, intensive, direkt sichtbare Fluoreszenz zeigt.7 Das aus 238 Aminosäureresten bestehende GFP stammt ursprünglich aus einer lumineszierenden pazifischen Qualle, Aequorea victoria. Hier bezieht das GFP die Anregungsenergie strahlungsfrei aus der weniger effizienten Chemilumineszenz-Reaktion des Photoproteins Aequorin und emittiert diese Energie längerwellig als grüne Fluoreszenzstrahlung mit hoher Quantenausbeute von ungefähr 70 %.

GFP ist ein kompaktes, außerordentlich stabiles Protein, aber nicht sonderlich leuchtstark. Durch Mutationen des gfp-Gens wurden Varianten erhalten, die eine vielfach höhere Fluoreszenzintensität und ein verringertes Photobleichen zeigen, und damit ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis.8

Die Fusion von Proteinen mit GFP, EGFP oder anderen GFP-Varianten eröffnete neue Möglichkeiten für die Untersuchung intrazellulärer Prozesse. Eines der beeindruckendsten Beispiele ist die Aufklärung der Dynamik des Min-Systems, bestehend aus den Proteinen MinC, MinD und MinE, welches die korrekte Positionierung des Z-Rings in der Mitte eines teilungsfähigen E. coli-Bakteriums bewirkt. Die Bildung des Z-Rings aus dem bakteriellen „Zytoskelettprotein“ FtsZ geht der Zellwandbildung zeitlich voran; die Konstriktion des Z-Rings leitet die Zellteilung ein. Das Fehlen des Min-Systems führt zu einem großen Prozentsatz von asymmetrischen Zellteilungen in der Nähe der Pole, wodurch Tochterzellen mit zwei Chromosomen und „Minizellen“ ohne Chromosom entstehen.9

MinC, der Gegenspieler (Antagonist) von FtsZ, unterbindet die Polymerisation von FtsZ – die Bildung von FtsZ-Filamenten – abseits der Zellmitte. Die fluoreszenzmikroskopischen Untersuchungen des Min-Systems in lebenden Zellen lieferten mit Hilfe von GFP ein überraschendes Ergebnis: Die GFP-fusionierten Proteine MinC und MinD zeigten zeitlich oszillierende Konzentrationsmuster in den beiden Zellhälften. Im Zeitmittel ergeben sich hieraus Konzentrationsgefälle von MinC und MinD, mit höheren Konzentrationen an den Zellpolen und einem Minimum in der Zellmitte. Die komplexen Oszillationsmuster sind anschauliche Beispiele für intrazelluläre Selbstorganisation. Sie wurden sowohl durch etablierte Modelle der Musterbildung – Reaktions-Diffusions-Modelle –, deren Anfänge bis zu einer theoretischen Arbeit von Alan Turing (1912 - 1954) aus dem Jahr 1952 zurückreichen, nachgebildet, als auch durch stochastische Diffusionsmodelle.10

Weiterhin konnte die Dynamik und Bildung des Z-Ringes aus FtsZ in einzelnen E. coli-Zellen in Echtzeit verfolgt werden. Dazu wurde FtsZ ebenfalls mit GFP fusioniert. So wurden scharfe Fluoreszenzbilder der FtsZ-Strukturen erhalten.11

Gefälle (Gradienten) von sogenannten Morphogenen spielen eine essentielle Rolle in der frühen Embryonalentwicklung der schwarzbäuchigen Taufliege (Drosophila melanogaster). Diese Morphogene sind Transkriptionsfaktoren, also Proteine, die abhängig von ihrer lokalen Konzentration eine Aktivierung oder Reprimierung nachgeschalteter zygotischer Entwicklungsgene bewirken. Nach dem bahnbrechenden experimentellen Nachweis eines Morphogengradienten – des Konzentrationsgefälles des Transkriptionsfaktors Bicoid vom Vorderpol in Richtung Mitte des frühen Embryos der Taufliege – wurde es eines der vorrangigen Ziele, die Bedeutung solcher Gradienten für die Entstehung embryonaler Entwicklungsmuster zu verstehen.12 Das grün fluoreszierende Protein ermöglichte auch hier, die Entstehung und Dynamik von Morphogengradienten in vivo im molekularen Detail zu untersuchen. Ein wichtiger Aspekt bestand darin, herauszufinden, wie reproduzierbar sich der Bicoid-Gradient bildet. Mit Hilfe von Bicoid-EGFP konnte diese Fragestellung in Angriff genommen werden: Der Bicoid-Gradient entsteht innerhalb von zwei Stunden nach der Befruchtung der Eizelle; in dieser Zeit durchläuft der Embryo 13 schnelle mitotische Zyklen ohne Zellwandbildung. Bemerkenswert: Die Variabilität des Gradienten ist vergleichsweise gering, der exponentiell abnehmende Proteingradient (vom Vorder- zum Hinterpol des Embryos) wird mit einer Genauigkeit von etwa 10 % von Embryo zu Embryo reproduziert. Dieser Genauigkeitsgrad zeigte sich auch für die maximalen Bicoid-Konzentrationen nach den aufeinanderfolgenden Kernteilungen, obwohl sich die Zahl der Kerne jeweils verdoppelte und sich das Kernvolumen während der frühen Embryogenese generell vergrößert. Eine ähnliche Genauigkeit der Embryo-zu-Embryo-Reproduzierbarkeit (8 %) wurde nachfolgend für die Zahl der bicoid-mRNA-Moleküle festgestellt. Eine Reproduzierbarkeit von 8 bis 10 % erscheint auf den ersten Blick nicht sonderlich beeindruckend; doch es war eine Überraschung. Erklärbar wird dieser Genauigkeitsgrad durch die große Zahl der bicoid-mRNA-Moleküle von knapp einer Million und die etwa hundertfach höhere Anzahl der Bicoid-Proteinmoleküle in zwei Stunden jungen Embryos, welche die stochastische Variabilität der Genexpression durch das statistisch-physikalisches Prinzip der zeitlichen und räumlichen Mittelung begrenzen und ausgleichen.13

In diesem Fall, wie im vorhergehend behandelten Min-System, interessieren natürlich die den geschilderten Mustern zugrunde liegenden dynamischen Prozesse. An dieser Stelle wollen wir uns nur die Rolle der Diffusion für die Bildung und Erhaltung des Bicoid-Gradienten näher ansehen. Neuere Untersuchungen bestätigten frühere Befunde, dass sich die bicoid-mRNA vorwiegend (> 90 %) und stabil innerhalb von 20 % des anterioren (vorderen) Embryovolumens lokalisiert, und dass dort das Bicoid-Protein synthetisiert wird. Somit ist es erforderlich, dass sich das Bicoid-Protein vom Syntheseort aus verteilen muss, damit sich der Gradient innerhalb des Embryos ausbilden kann; dies geschieht höchstwahrscheinlich durch einfache Diffusion.14

Nicht nur die Dynamik und Lokalisation von Proteinen, sondern auch die von mRNA-Molekülen, konnte durch die Verwendung von GFP-Varianten untersucht werden. Von besonderer Bedeutung: Wie finden einzelne exportfähige mRNA-Komplexe – Boten-Ribonukleoprotein (mRNP)-Komplexe – eine der Kernporen in der Kernmembran? Die Antwort ermöglichte wiederum der Einsatz von fluoreszierenden „Sonden“. Eindrucksvolle Ergebnisse erbrachte die Bindung einer mRNA (ß-Actin-mRNA) an multiple Moleküle einer gelb fluoreszierenden GFP-Variante (YFP). Die hierdurch erzielte Fluoreszenzverstärkung ermöglichte es, das Diffusionsverhalten einzelner mRNPs in Zellkernen lebender Zellen zu untersuchen. Diese Experimente demonstrierten in Übereinstimmung mit früheren Untersuchungen anderer Arbeitsgruppen, dass mRNP-Komplexe sich mehrheitlich durch „einfache“ Diffusion, ohne Richtungsbevorzugung (isotrop), im Kernplasma bewegen. Diese Komplexe finden also eine der Kernporen, durch welche sie ins Zytoplasma gelangen, durch eine Brown’sche Irrfahrt (Abbildung 4).15

Die bakterielle Zytokinese und die frühe embryonale Entwicklung von Drosphila verdeutlichen, dass in der „Mittelwelt“ mesoskopischer Größenordnung Diffusionsprozesse wesentliche Zellfunktionen erfüllen. Hierzu zählen auch intrazelluläre Transportfunktionen – wie im Falle der mRNPs in eukaryotischen Zellkernen.

ABBILDUNG 4: Zweidimensionale Irrfahrt (Monte-Carlo-Simulation). Die Schrittlängen und –richtungen wurden nach dem Zufallsprinzip bestimmt.

Diffusionsabhängige Wechselwirkungen

Für die Aufrechterhaltung intrazellulärer und interzellulärer Lebensprozesse sind molekulare Interaktionen unabdingbar. Biochemische Reaktionspartner werden lokal durch Brown’sche Bewegung zusammengeführt; diese Mikrokollisionen gehen der spezifischen Bindung (Assoziation) von (Makro-)Molekülen an molekularen Zielorten wie den Rezeptoren voraus.

Bevor die Reaktionspartner in spezifische Wechselwirkung treten können, ist oft deren Transport erforderlich, und zwar über Entfernungen, welche die molekularen Dimensionen deutlich überschreiten. Diffusion, obwohl eine vergleichsweise langsame Form des Stofftransports, spielt auch hier eine essentielle Rolle, besonders in den Zellkompartimenten. Dies hat eine Vielzahl von Untersuchungen belegt. Wenden wir uns deshalb nun den Zeitaspekten von Diffusionsprozessen zu. Im „Standardmodell“, das Albert Einstein und Marian von Smoluchowski behandelten, wird die räumliche Ausbreitung während einer bestimmten Zeitspanne betrachtet – oder mit anderen Worten: die Entfernungen, welche die diffundierenden Teilchen oder (Makro-)Moleküle in einem vorgegebenen Zeitintervall zurücklegen. Wesentliche Charakteristika dieses theoretischen Modells sind hierbei, dass sich die ausdehnungslos angenommenen Teilchen anfänglich in einem Punkt konzentrieren und dass deren Anzahl sowie das Volumen (bei der ein- oder zweidimensionalen Diffusion entsprechend die Gerade beziehungsweise Ebene) „unendlich groß“ sind. Ferner sollen die Teilchen/​(Makro-)Moleküle unabhängig voneinander diffundieren. Praktisch werden diese Annahmen von verdünnten Suspensionen und Lösungen näherungsweise erfüllt, wobei Reflektionen oder Absorptionen an den Gefäßwänden als vernachlässigbar angesehen werden. Auf die Diffusion in (annähernd) idealen Lösungen oder Gasen bezieht sich das oben erwähnte mittlere Verschiebungsquadrat.

Alternativ können wir uns dafür interessieren, wieviel Zeit ein Teilchen oder (Makro-)Molekül (im Mittel) benötigt, um einen bestimmten Zielort in einem räumlich begrenzten Gebiet – in einem endlichen Volumen, einer umgrenzten Fläche oder einer linearen Strecke –, erstmals zu erreichen. Diese komplementäre Fragestellung wird von der Erstpassagezeit-Methode behandelt.16 Sie bietet sich an, wenn, wie in den durch Membranen begrenzten Zellorganellen, auf Zellmembranen oder DNA-Molekülen, die Volumina, Flächen oder Entfernungen endlich sind und einzelne oder wenige diffundierende (Makro-)Moleküle sowie einzelne Zielorte der spezifischen Interaktionen betrachtet werden.

Das führt uns zurück zum Zellgeschehen. Ein charakteristisches Merkmal der Expression proteincodierender Gene in eukaryotischen Zellen ist die räumliche Trennung der Gen-Transkription, die im Zellkern erfolgt, und der Proteinsynthese, die im Zytoplasma stattfindet. Diese Trennung erfordert die Translokation der exportfähigen mRNP-Komplexe aus dem Zellkern in das Zytoplasma. Zunächst einmal müssen die mRNPs die Kernmembran erreichen und dort an einen der 2.000 bis 3.000 Kernporenkomplexe andocken, die den Transport ins Zytoplasma übernehmen. In der Regel kommen mRNAs und die aus diesen hervorgehenden mRNPs nicht in Scharen vor. Im Gegenteil: In Humanzellen sind rund 95 % der Transkripte in höchstens fünf Kopien vorhanden; in Hefezellen wurde Ähnliches gefunden – 80 % der mRNAs sind höchstens doppelt vorhanden.17

Das Vorliegen einzelner mRNPs lässt ein stochastisches Zeitmuster des Aufspürens der Kernporen und der Bindung an dieselben durch Brown’sche Irrfahrt erwarten. In herkömmlichen Modellen, die auf grundlegende Arbeiten von Marian von Smoluchowski zurückgehen, ergeben sich deterministische Gesetzmäßigkeiten molekularer Interaktionen durch die Überlagerung der Brown’schen Bewegungen einer sehr großen (unendlichen) Zahl von Teilchen oder (Mako-)Molekülen in makroskopischen (unbegrenzten) Volumina oder Flächen.

In endlichen, kleinen Volumina, auf begrenzten Flächen oder Strecken können diffusionsabhängige Interaktionen einzelner Reaktanten unter bestimmten Bedingungen trotzdem mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit erfolgen. Ein vereinfachtes Modell soll uns helfen, die wesentlichen Prinzipien zu erkennen. Dazu betrachten wir einen kugelförmigen Zellkern, in dem ein einzelner mRNP-Komplex an einer beliebigen Position innerhalb des Kerns eine unbehinderte Irrfahrt beginnt. Uns interessiert nun erstens die Erstpassagezeit, das ist die Zeit, die der mRNP-Komplex benötigt, bis er das erste Mal die Kernmembran erreicht, und weiterhin die Wahrscheinlichkeit, dass dies innerhalb eines gewissen Zeitfensters geschieht. Erwartungsgemäß variieren die Erstpassagezeiten, aber es gibt keine „wahrscheinlichste“ Erstpassagezeit. Lange Zeiten bis zum Erreichen der Kernmembran, die beispielsweise das 5-fache der durchschnittlichen Passagezeit überschreiten, sind unwahrscheinlich – für Zellkerne mit einem Radius von 8 µm und einem effektiven Diffusionskoeffizienten von 0,04 µm²/s (beides gemessene Werte in humanen Osteosarkomzellen). Andererseits ergibt sich nur eine Wahrscheinlichkeit von 0,67 dafür, dass ein mRNP-Komplex für das Erreichen der Kernmembran nicht länger als die durchschnittliche Erstpassagezeit benötigt – das ist weit entfernt von einem sicheren Ereignis. Das Bild ändert sich, wenn, wie bei Hefe-Zellkernen, der Radius nur 0,8 µm, ungefähr 1/​10 des Osteosarkom-Zellkernradius, beträgt: Bei Annahme desselben niedrigen Wertes für den Diffusionskoeffizienten von 0,04 µm²/s können einzelne mRNPs jetzt eine Kernpore in weniger als 100 Sekunden mit praktischer Sicherheit lokalisieren.18

Diese Modellrechnungen veranschaulichen, dass die Verringerung des Volumens ein wirksames Mittel sein kann, um die Effizienz des Aufspürens von spezifischen Zielorten oder generell von diffusionskontrollierten Interaktionen zu erhöhen, insbesondere wenn die Zahl der interagierenden (Makro-)Moleküle und Rezeptoren sehr klein ist. Unser spezieller Fall weist auf ein generelles Prinzip hin: Die für die Zellorganisation charakteristische strukturelle und funktionelle Kompartimentierung erhöht die Wahrscheinlichkeit für makromolekulare Interaktionen; unter bestimmten zellulären Bedingungen können Interaktionen von wenigen mobilen Makromolekülen und einzelnen „Zielen“ (engl. targets) mit großer Effizienz erfolgen. Ein solcher exemplarischer Fall wird uns bei der Regulation des Lactose-Operons in E. coli begegnen.

Molekulare Schalter

Zu den zentralen intrazellulären Interaktionen zählen Protein-Protein- und Protein-Nukleinsäure-Wechselwirkungen. Solche Interaktionen sind mit inhärenten Unsicherheiten verbunden. Daher interessiert uns besonders der Übergang von stochastischen Interaktionen zu deterministischem „Verhalten“. Zwei Modelle bieten sich hierfür an: das Lactose (Lac)-Operon-Modell und der Lebenszyklus des Phagen Lamda (λ) in E. coli. Beides sind paradigmatische Modelle in der Molekulargenetik, die eine bedeutende Rolle in der Entwicklung regulatorischer Konzepte gespielt haben, und, aufgrund des Modellcharakters, nach wie vor spielen.

Modell 1. Das Bakterium E. coli kann neben Glucose auch Lactose als Kohlenstoff- und Energiequelle verwerten – nach Induktion. Der Induktor ist nicht die Lactose selbst, sondern die aus der Lactose enzymatisch gebildete Allolactose. Die Verwertung von Lactose durch E. coli steht unter der Kontrolle des Lac-Operons. Diese genetische Funktionseinheit kontrolliert die Synthese von drei Enzymen, von denen eines, die Permease, den Transport der Lactose durch die Zellplasmamembran ermöglicht, während ein weiteres Enzym, die ß-Galactosidase, die Spaltung der Lactose in Galactose und Glucose katalysiert. Die biologische Funktion des dritten Enzyms, ß-Galactosid-Transacetylase, ist unklar.19

Modell 2. Der Bakteriophage λ infiziert E. coli, indem die Phagen-DNA in das Bakterium eindringt. Das hat zwei mögliche Folgen: Entweder vermehrt sich der Phage, innerhalb von ungefähr 45 Minuten, mit Hilfe der Enzymausstattung seines Wirts und zerstört (lysiert) diesen dabei – unter Freisetzung von ungefähr 50 bis 100 intakten Phagen – oder die DNA eines Phagen wird in die ringförmige DNA des Bakteriums integriert. In letzterem Falle verweilt die Phagen-DNA als Prophage in der DNA der Wirtszelle und wird mit der Wirtszell-DNA verdoppelt. Dieser Lysogenie genannte Zustand kann über sehr viele Zellteilungen stabil bleiben, bis beispielsweise durch Mutationen auslösende UV-Bestrahlung das Wachstum der Wirtszelle gestoppt und stattdessen die Vermehrung des Phagen initiiert wird.20

Die regulierten Prozesse der Lactose-Verwertung und das Lysogenie/​Lyse-Verhalten des λ-Phagen in E. coli veranschaulichen molekulare Schalter. „Schalter“ deswegen, weil die Transkription von proteincodierenden Genen durch eine „Alles-oder-nichts“-Regulation entweder zugelassen oder unterbunden wird. Die wegweisenden Arbeiten von André M. Lwoff (1902 - 1994), Franҫois Jacob (1920 - 2013) und Jacques L. Monod (1910 - 1976) führten zu einer Theorie der Regulation der Proteinsynthese in Prokaryoten; sie kulminierten in der Vorstellung des Operon-Modells im Jahre 1961 und des Allosterie-Konzepts regulatorischer Proteine (1963).

Den „Schalter“ in den betrachteten Lac- und Lambda-Systemen bilden regulatorische Proteine, die als Repressoren bezeichnet werden, und kurze DNA-Sequenzen – sogenannte Operatoren, an denen der jeweilige spezifische Repressor fest, aber reversibel bindet. Durch die Bindung des Repressors wird die Assoziation der RNA-Polymerase an eine als Promotor bezeichnete DNA-Sequenz in direkter Nachbarschaft des Operators unterbunden. Promotor, Repressor-Gen, Operatoren und die proteincodierenden Gene bilden zusammen eine Funktionseinheit – das Operon.21

Der Lac-Repressor war das erste regulatorische Molekül, das isoliert und als Protein identifiziert wurde. Mit Hilfe von Mutanten, die diesen Repressor in großer Anzahl synthetisieren, gelang es, größere Mengen zu gewinnen. Denn im Durchschnitt befinden sich nur 10 bis 20 tetramere (aus vier identischen Untereinheiten zusammengesetzte) Repressormoleküle und ein oder zwei Lac-Operons in einer wachsenden E. coli-Zelle.22 Verblüffung löste ebenfalls die ungewöhnliche Stabilität des λ-Prophagen aus; auch hier war die Zahl der dimeren Repressormoleküle nicht groß: durchschnittlich etwa 100, bei großer Variabilität von Zelle zu Zelle. Und diese geringe Anzahl ist sogar ausreichend, um eine „Immunität“ gegen die Lyse durch weitere in die E. coli-Zelle eindringende Phagen-DNA sicherzustellen.23

In beiden, hier vereinfacht dargestellten, Systemen binden die multimeren Repressormoleküle sehr fest an die Operatoren und blockieren diese praktisch vollständig. Das ist ein erstaunliches Phänomen angesichts der wenigen vorhandenen Repressormoleküle, welche die Operatorsequenzen wirkungsvoll blockieren können.

Die Bindungsstärke des Lac-Repressors an den Operator verringert sich in Gegenwart eines Induktors wie Lactose beziehungsweise Allolactose oder IPTG (Isopropyl-ß-D-thiogalactopyranosid) um mehrere Größenordnungen, was zu einer fast vollständigen Aufhebung der Blockade des Operators und Initiierung der Transkription der Lac-Gene führt. Dieses Bild vermittelten quantitative Bestimmungen der Dissoziationskonstante in vitro, bei Anwendung des Massenwirkungsgesetzes. Tatsächlich wurden in einzelnen E. coli-Bakterien, in Abwesenheit eines Induktors, im Mittel nur fünf ß-Galactosidase-Moleküle gefunden, in voll-induzierten Zellen dagegen über 2.000.24

Diese Übereinstimmung bedeutet jedoch nicht, dass das Massenwirkungsgesetz bedenkenlos auf Reaktionen in der E. coli-Zelle anwendbar ist. Wie wir bereits sahen, ist das MWG eine Relation zwischen den molaren Konzentrationen der Reaktionspartner, gültig unter Bedingungen wie sie in verdünnten Lösungen näherungsweise gegeben sind. Das Zytoplasma der E. coli-Zelle ist jedoch funktionell und strukturell organisiert und „dicht gepackt“ mit niedrigmolekularen Molekülen, Makromolekülen und makromolekularen Komplexen wie den zahlreichen Ribosomen – in physikochemischer Terminologie: inhomogen, anisotrop (richtungsabhängige Eigenschaften aufweisend), hochgradig viskos und diffusionsbehindernd – unter anderem durch strukturelle Barrieren wie die kompakte DNA-Ringstruktur.25 Darüber hinaus gibt es noch einen – entscheidenden – Einwand im Fall der Lac- und Lambda-Systeme: Sowohl die Lac-Repressormoleküle als auch die λ-Repressormoleküle liegen nicht in freier, gelöster Form vor, sondern sind mehrheitlich – im Zeitmittel zu etwa 90 % – an die rund 4,64 Millionen Basenpaare umfassende E. coli-DNA unspezifisch gebunden.26

Letzteres ist ein Beispiel für eine funktionelle Mikrokompartimentierung, durch welche die Wahrscheinlichkeit für spezifische Interaktionen enorm erhöht werden kann. Wie die Repressormoleküle ihre spezifischen Bindungsorte, die Operator-DNA-Sequenzen, lokalisieren, ist nicht sicher geklärt – wiederholte Zyklen von Dissoziation und Reassoziation unter Beteiligung elektrostatischer Kräfte, eindimensionale Diffusion entlang der DNA und andere Mechanismen werden diskutiert. Sicher ist, dass es sich hierbei um stochastische Prozesse handelt, und zwar um äußerst wirksame, schnelle Prozesse, die bis heute nichts an Faszination verloren haben. Sobald ein Repressormolekül in die unmittelbare Nähe der spezifischen Operator-Sequenzen gelangt ist, können Mikrokollisionen stufenweise zur Entstehung eines spezifischen Bindungskomplexes führen. Diese diffusionsvermittelten Assoziationsprozesse wurden mittels Computersimulationen intensiv analysiert.27

Weiterhin bleibt zu erklären, wie es nach erfolgter Assoziation zu einer dauerhaften Blockade der Operatoren durch wenige oder gar einzelne Repressormoleküle kommt. Offensichtlich sind es die besonderen strukturellen und physikochemischen Eigenschaften der beteiligten Makromoleküle und des Nukleoids, der kompakten DNA-Struktur in vivo, welche die erstaunliche Effizienz der Repression bewirken. Der tetramere Lac-Repressor ist ein komplexes Protein: Je zwei der vier Untereinheiten bilden ein Dimer, die beiden Dimere binden an zwei, höchstens 600 Basenpaare entfernte, separate DNA-Bindungsorte (Operatoren), hierdurch eine Schleife bildend. Diese kooperative Bindung an die DNA bewirkt eine drastische Erhöhung der Bindungsfestigkeit, in vitro fast um den Faktor 100.28

Rezeptoren und Signalübertragung

Molekulare „Schalter“ wie der Lac-Repressor-Operator-Komplex können als molekulare Signalwandler angesehen werden, argumentierte Max Delbrück im Jahre 1972. Allolactose, die durch ß-Galactosidase aus Lactose gebildet wird, ist hierbei das chemische „Signal“. Durch die Bindung eines Allolactosemoleküls an den Repressor wird dessen Bindung an die Operatorsequenz soweit herabgesetzt, dass der Promotor für die RNA-Polymerase zugänglich wird, die nun die gemeinsame mRNA für die drei Enzyme (ß-Galactosidase, Permease und Transacetylase) synthetisiert. Wenn der Allolactosespiegel unter einen Schwellenwert absinkt, gewinnt die konkurrierende Bindung des Repressors wieder die Oberhand, sodass die mRNA-Synthese blockiert wird.

Die Regulation durch Operons bewirkt, dass die Bakterienzelle nicht alle Proteine ständig vorhalten muss, sondern bestimmte Proteine nur synthetisiert werden, wenn sie durch entsprechende Stimuli aus der sich ständig verändernden Umwelt induziert werden. Den Alles-oder-nichts-Mechanismus der Induktion des Lactosesystems beschrieben zuerst Nowick und Weiner im Jahre 1957. Isoliert vom übrigen Zellgeschehen betrachtet, ist diese Form der Regulation ein einfacher Regelkreis, wie er in der Kybernetik seit den 1940er Jahren behandelt wird.29

Die Begriffe „Signal“ und „Signalwandlung“ lenken auf den Begriff der Information, der aus der Biologie nicht mehr wegzudenken ist. Signale transportieren Informationen. Vorbereitet durch die Kybernetik, und besonders durch die Shannon’sche Informationstheorie, hielt der Informationsbegriff mit der Molekularbiologie Einzug in biologische Denkmuster. Erinnert sei an das von Francis Crick formulierte „zentrale Dogma der Molekularbiologie“ und das zuvor skizzierte Lac-Operon-Modell. Zumeist handelt es sich, wie in den beiden genannten Fällen, um semantische Information, welche die Bedeutung der Nachricht des Signals betrifft.

Indessen sind nur der syntaktische Informationsbegriff (durch die Shannon’sche Theorie) und der algorithmische Informationsbegriff formal definiert. Information bedeutet in Shannons Theorie die mittlere Anzahl der Ja-nein-Entscheidungen, die erforderlich sind, „um eine bestimmte Zuordnung innerhalb einer gegebenen Anzahl von Alternativen treffen zu können“.30 Warren Weaver hatte bereits im Jahre 1949 gewarnt:

Das Wort Information wird in dieser Theorie [Shannons Kommunikationstheorie] in einem speziellen Sinn gebraucht, die nicht mit seinem gewöhnlichen Gebrauch durcheinander gebracht werden darf. Insbesondere darf Information nicht mit Bedeutung verwechselt werden (…) Der Begriff der [syntaktischen] Information ist nicht auf eine einzelne Botschaft anwendbar (…)31

Aus dieser Klarstellung ergibt sich folgerichtig, dass die Wörter Information und Signal im biologischen Kontext oft im metaphorischen Sinne gebraucht werden, es sei denn, dass explizit auf die Shannon’sche Information Bezug genommen wird.

Bevor wir uns erneut konkreten zellulären Signalübertragungen zuwenden, erscheint es sinnvoll, noch auf einen weiteren, für das Verständnis interzellulärer Signalübertragungen unentbehrlichen, Schlüsselbegriff einzugehen – den Begriff Rezeptor.

Dieser Begriff hat eine mehr als hundert Jahre zurückreichende Geschichte: Paul Ehrlich (1854 - 1915) führte den Begriff des Rezeptors bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts ein. Er ging davon aus, dass „Medikamente nicht wirken, wenn sie nicht gebunden sind“. Dazu postulierte er bestimmte chemische Strukturen auf der Zelloberfläche, die für die selektive Bindung von Substanzen verantwortlich sind.

Frühe Unterstützung – und Korrekturen – erhielten Ehrlichs Vorstellungen durch die Experimente des Physiologen John N. Langley (1852 - 1925). Langley entwickelte als Erster, und unabhängig von Paul Ehrlich, die Vorstellung spezifischer Rezeptoren für pflanzliche Gifte und Hormone. Der Pharmakologe Alfred J. Clark (1885 - 1941) schuf nachfolgend eine umfassende Theorie auf der Grundlage des Rezeptorkonzepts. Indes blieben Rezeptoren bis in die 1960er Jahre umstritten, sie galten lediglich als hypothetische Strukturen.

Heutzutage wird der Rezeptorbegriff weiter gefasst. In der Zellbiologie bezeichnet der Terminus Rezeptor an Zellmembranen gebundene oder frei bewegliche molekulare Strukturen oder (Makro-)Moleküle, die als Signalüberträger fungieren.32

Bleiben wir vorerst bei Bakterien. Bakterien reagieren auf Umweltreize wie Temperatur, Licht, Sauerstoff oder Nährstoffe mit Bewegungsänderungen. Das mit Hilfe von Flagellen bewegliche Bakterium E. coli reagiert beispielsweise auf Aminosäuren oder Zuckermoleküle in seiner Umgebung. Schon in den 1880er Jahren hatte der Botaniker und Pflanzenphysiologe Wilhelm F. Pfeffer (1845 - 1920) die Chemotaxis demonstriert, indem er gelöste Testsubstanzen in einer einseitig verschlossenen Kapillare in Kontakt mit Wassertropfen brachte, welche mobile Bakterien enthielten. Unter dem Mikroskop beobachtete Pfeffer, wie sich die Bakterien zur Kapillare bewegten und sogar in diese eindrangen (positive Chemotaxis). In anderen Fällen entfernten sich die Bakterien (negative Chemotaxis) Er stellte auch schon die Reaktion auf sehr stark verdünnte Lösungen chemotaktischer Substanzen fest. Bei diesen Beobachtungen blieb es 70 Jahre lang.

In den 1960ern begann Julius Adler ausgehend von der Methode Pfeffers, den Mechanismus der Chemotaxis in E. coli zu untersuchen. Adler erkannte, dass die chemischen Stimuli durch „Systeme“ vermittelt werden, die er Chemorezeptoren nannte. Schließlich fand Adlers Arbeitsgruppe heraus, dass die Signalinformation von den Chemorezeptoren auf eine intrazelluläre Signalübertragungskaskade weitergeleitet wird und zu entsprechende Bewegungen der Flagellen des Bakteriums führt.33

Mittlerweile ist die bakterielle Chemotaxis eines der am besten aufgeklärten molekularen Signalübertragungssysteme. Das E. coli-Bakterium verfügt über fünf Typen von Chemorezeptoren, darunter einen Rezeptor, der die Aminosäure L-Asparaginsäure beziehungsweise deren Salzform L-Aspartat spezifisch bindet. Beeindruckend ist die außerordentliche chemotaktische Empfindlichkeit, die bereits Wilhelm Pfeffer feststellte. Diese kann heute mit präzisen Zahlen untermauert werden: Für die Aspartatrezeptoren einer Zelle genügen drei Moleküle L-Aspartat als Stimulus. Die hohe Empfindlichkeit wird durch die Kooperation von tausenden Rezeptoren erzielt, die in Clustern von jeweils 10 bis 20 Rezeptoren organisiert sind.34

Mit einem speziellen „Tracking“-Mikroskop gelang es Howard Berg und Douglas Brown in den 1970er Jahren die Schwimmbewegungen einzelner E. coli-Bakterien zu verfolgen. Bakterien bewegen sich in einer homogenen Umgebung bis zu mehreren Sekunden lang in eine Richtung, danach tritt durch eine kurzdauernde (~0,1 Sekunden) Taumelbewegung eine Neuorientierung ein. Die eingeschlagene Bewegungsrichtung nach einer Taumelbewegung erfolgt „zufällig“. Wenn dagegen in der Umgebung ein Konzentrationsgefälle eines Nährstoffs, beispielsweise L-Aspartat, existiert, wird durch Reduzierung der Taumelbewegungen und längere Vorwärtsbewegung eine effektive Navigation in Richtung der ansteigenden Konzentration erreicht. Mathematisch lässt sich die Schwimmbewegung durch ein Irrfahrt-Modell mit Richtungsbevorzugung beschreiben.35

Entscheidend für das Schwimmverhalten ist die Drehrichtung der Flagellen. Für den Vorschub in Richtung einer ansteigenden Nährstoffkonzentration rotieren die Flagellen gleichsinnig im Gegenuhrzeigersinn (von der Flagellumspitze zum Bakterienkörper gesehen) und bilden dabei ein Bündel. Die Taumelbewegung kommt durch Umkehr der Drehrichtung einer oder mehrerer Flagellen zustande, wobei sich das Flagellenbündel teilweise auflöst. Dass durch den Wechsel von aktiver Vorwärtsbewegung und Taumeln eine zielgerichtete Bewegung, das heisst Chemotaxis, erreicht wird, ist umso bemerkenswerter, da das Bakterium selbst wegen seiner Winzigkeit der Brown’schen Bewegung unterliegt.

Bei der Aufklärung der intrazellulären Prozesse der Signalübertragung von den Rezeptoren zu den molekularen „Schaltern“ der Flagellenmotoren gab es ebenfalls beeindruckende Fortschritte. Als zytoplasmatischer Signalüberträger dient ein kleines Protein, CheY, das in der vergleichsweise hohen Konzentration von annähernd 8.000 Kopien pro E. coli-Zelle vorkommt. CheY tritt signalabhängig in zwei Formen auf: phosphoryliert (CheY-P) oder ohne übertragene Phosphatgruppe. Das phosphorylierte CheY-P ist sehr kurzlebig (Halbwertszeit im Zentelsekundenbereich). Doch es gelangt durch Diffusion sehr schnell an den Schalterkomplex der Flagellenmotoren, der aus einem Ring von 30 kooperativ umschaltenden Untereinheiten besteht. Durch die Bindung von CheY-P wird die Wahrscheinlichkeit für die Drehung des „Motors“ im Uhrzeigersinn erhöht – und eine Taumelbewegung ausgelöst. Die Bindung von L-Aspartat an den Rezeptorkomplex wirkt dem entgegen: Sie führt zur Unterbindung der Taumelbewegungen, indem die Phosphatgruppen übertragende Proteinkinase gehemmt wird und die Konzentration von CheY-P durch die Abspaltung der Phosphatgruppe durch eine Proteinphosphatase sinkt.

Die komplexe Organisation und Dynamik machen dieses chemotaktische Signalübertragungssystem zu einem paradigmatischen molekularen Interaktionsnetzwerk. Besonders faszinierend sind neben der chemotaktischen Empfindlichkeit auf Nährstoffe die ultrasensitive Reaktion des „Schalters“ auf CheY-P und die Funktionsweise der rotierenden „Motoren“, welche die Flagellen antreiben. Diese „Motoren“ schalten stochastisch zwischen dem Gegenuhrzeigersinn und dem Uhrzeigersinn um.36

Den Proteinen, speziell den Enzymen – und hier vor allem den besonders faszinierenden „molekularen Motoren“ –, werden wir uns als Nächstes zuwenden.

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