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Phy­sik der emb­ryo­nalen Ent­wick­lung

Die Ent­wick­lung von einer iso­tro­pen be­fruchteten Ei­zelle zum aus­ge­wachsenen Tier mit kor­rek­ten Kör­per­ach­sen ist eine an­spruchsvolle Auf­gabe für den Fa­den­wurm „Ca­enor­hab­ditis ele­gans“: Zel­len müs­sen an den rich­tigen Stel­len posi­tio­niert wer­den, um Kopf und Schwanz aus­zu­bil­den, und die Zell­tei­lun­gen wäh­rend der Emb­ryo­gene­se müs­sen rich­tig ko­ordi­niert wer­den, da­mit diese Posi­tio­nie­run­gen er­mög­licht wer­den. Der Emb­ryo ver­lässt sich bei die­ser Auf­gabe auf Selbstor­gani­sati­on und ein­fache phy­sika­lische Ma­ße.

Physik als Taktgeber einer robusten Embryogenese

Die emb­ryo­nale Ent­wick­lung des transpa­ren­ten Wurms „Ca­enor­hab­ditis ele­gans“ ist er­staunlich ro­bust – fast alle aus­ge­wachsenen Tiere ha­ben letzt­lich die glei­che An­zahl Zel­len, die durch iden­ti­sche Mig­rati­ons­be­we­gung und Dif­fe­ren­zie­run­gen ent­stan­den sind. Die­ses fast schon de­ter­mi­nisti­sche und inva­riante Ent­wick­lungsmus­ter legt die Ver­mu­tung nahe, dass nicht nur Ge­netik und Mo­leku­larbi­olo­gie betei­ligt sind, son­dern dass auch fun­da­men­tale Phy­sik einen Teil der Re­gie in die­ser kom­ple­xen Cho­reo­gra­fie über­nimmt.

Auf­bau­end auf früheren Ar­bei­ten, die zeig­ten, dass Zel­len ei­nan­der in der emb­ryo­nalen Eihülle auf die rich­tigen Posi­tio­nen „schubsen“, ha­ben Mit­glie­der des Elite­stu­dien­pro­gramms „Biological Physics“ nun mit­tels Lichtblatt-Fluo­res­zenzmik­ro­sko­pie ge­zeigt, dass Zell­vo­lumi­na und -zyk­lus­zei­ten wäh­rend der ge­sam­ten Emb­ryo­gene­se an­ti-kor­re­liert sind. Zu­dem zeig­ten die expe­ri­men­tell er­mit­telten Zyk­lus­zei­ten ein kla­res Arr­heni­us-Verhal­ten, das heißt, ihr Lo­ga­rith­mus än­derte sich linear mit der in­ver­sen Um­ge­bungs­tem­pe­ra­tur. Diese expe­ri­men­tellen Be­obachtungen sind voll­auf im Ein­klang mit ei­nem be­glei­ten­den theo­reti­schen Mo­dell, ba­sierend auf einer limi­tie­ren­den Kompo­nente und ei­nem Start der Pro­tein­syn­these erst zum Zeit­punkt der Gastrulati­on.

Zu­sammen­ge­no­mmen zei­gen die Da­ten, dass fun­da­men­tale phy­sika­lische Prin­zi­pien die Ro­bust­heit der Emb­ryo­gene­se von C. ele­gans maß­ge­blich be­stimmen.

Text: Elitestudienporgramm „Biological Physics“