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24.02.2015


Biologische Datenübertragung: energieeffizient durch kurze Wege

Die Haarzellen des Innenohres übersetzen feinste Vibrationen in Nervenimpulse. Damit gehören sie zu den Zellen des menschlichen Körpers, die zu Höchstleistungen in der Lage sind. Durch genau aufeinander abgestimmte biophysikalische Prozesse gelingt es ihnen, akustische Signale in elektrische Impulse zu übersetzen, die dann ins Gehirn „gefunkt“ werden. Um das Gehirn jederzeit auf dem Laufenden zu halten, sind sie fähig im Millisekunden Takt Botenstoffe freizusetzen.Mit bisher unerreichter Präzision haben jetzt Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen, dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation und dem Bernstein Zentrum Göttingen untersucht, wie kurz die Wege tatsächlich sind, über die sich der wichtige Botenstoff Calcium innerhalb der Zelle ausbreitet und wie genau dieser Botenstoff dabei auf Kurs gehalten wird. Durch kurze Wege wird die Energieeffizienz der Zellen maximiert. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher in der amerikanischen Fachzeitschrift PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of The United States of America).

Auf kurzen Wegen durch die Zelle

Sinnes- und Nervenzellen übertragen Informationen durch spezialisierte Zellkontakte, sogenannte Synapsen. Die Synapsen übertragen Informationen, in dem eine der Zellen in winzigen Bläschen (Vesikel) gespeicherte Botenstoffe freisetzt, die von der Nachbarzelle erkannt werden können. Die Anweisung zur Freisetzung der Botenstoffe gibt die „sendende “ Zelle mit Hilfe von Calciumionen. In ihrer Zellmembran befinden sich molekulare „Poren“, sogenannte Ionenkanäle, die die Erregung der Zelle registrieren und ab einem bestimmten Niveau Calciumionen in die Zelle einfließen lassen. In Haarzellen bilden diese Poren die entscheidende Übersetzungsmaschine zwischen den akustischen Signalen und den Nervenimpulsen, die ans Gehirn gesendet werden.

Um ihren Auftrag der Signalübertragung zu erfüllen, müssen die Calciumionen zügig ihre Empfängerstation auf dem Vesikel erreichen. Dieser molekulare Sensor befindet sich nach den Berechnungen der Max-Planck-Forscher weniger als 20 Nanometer (ca. 200 Atomdurchmesser) von der Eintrittsstelle der Ionen in die Zelle entfernt. Es ist physikalisch unvermeidlich, dass sich viele der Ionen als Irrläufer in die falsche Richtung bewegen oder über das Ziel hinausschießen. Ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen würden diese fehlgeleiteten Ionen außerhalb der Kontaktstellen die Freisetzung von Botenstoffen auslösen – was jedoch wirkungslos ist, weil sie außerhalb der Synapse nicht erkannt werden können. Da nach jeder Freisetzung Vesikel und Botenstoffe aufwändig recycelt werden müssen, wäre eine solche Freisetzung am falschen Ort für die Zelle eine erhebliche Energieverschwendung.

Die neuen Ergebnisse der Göttinger Forscher zeigen, dass die Haarzellen im Innenohr spezielle Eiweiße, sogenannte Calciumpuffereiweiße, verwenden, um „fehlgeleitete“ Ionen einzufangen. Mit Hilfe einer großen Konzentration von drei verschiedenen Calciumpufferproteinen vermeiden die Zellen somit Energieverschwendung.

Zusammenspiel experimenteller und computergestützter Zellforschung

Um herauszuarbeiten was in der Haarzelle des Ohres bei der Freisetzung der Botenstoffe genau passiert, hat das Göttinger Forscherteam um die Professoren Tobias Moser und Fred Wolf genetische, zellbiologische und computergestützte Methoden zusammengeführt.

Ermöglicht wurden die Arbeiten durch eine von Professor Beat Schwaller entwickelte Triple-Knock-Out Maus, in der alle wesentlichen Calciumpufferproteine der Haarzellen genetisch entfernt wurden. Mit ihrer Hilfe  konnten Tina Pangrsic und Nicola Strenzke an der Universitätsmedizin Göttingen erstmals untersuchen, wie sich die Freisetzung der Botenstoffe und die neuronale Kodierung bei Abwesenheit der Calciumpuffer verändern. „Durch Messungen der Botenstoff-Freisetzung der Zelle stellen wir fest, dass bei der Triple-Knock-Out-Maus viel mehr der Vesikel freigesetzt werden“, sagt Tina Pangrsic. Das konnten die Forscher mit einer von Erwin Neher in Göttingen entwickelten präzisen Messmethode für die Zelloberfläche nachweisen, die sich mit jedem freigesetzten Vesikel um ein winziges Flächenstück vergrößert. „In den Hörnervenzellen – die über Synapsen den Botenstoff der Haarzellen erhalten – war diese zusätzliche Freisetzung jedoch nicht nachweisbar, sie verhielten sich völlig normal“, ergänzt Nicola Strenzke. „Im Inneren der Haarzelle wird also eine unnötig große Maschinerie in Gang gesetzt und Botenstoff auch außerhalb der Synapsen freigesetzt, wo er seine Wirkung nicht entfalten kann.“

<p>Auf kurzem Weg zum Ziel. Calciumionen m&uuml;ssen nur eine winzige Distanz zur&uuml;cklegen, um in Haarzellen des Innenohres ihre Empfangsstation auf der Oberfl&auml;che von Vesikeln der Neurotransmitter zu erreichen.</p>
Auf kurzem Weg zum Ziel. Calciumionen müssen nur eine winzige Distanz zurücklegen, um in Haarzellen des Innenohres ihre Empfangsstation auf der Oberfläche von Vesikeln der Neurotransmitter zu erreichen. Mantas Gabrielaitis

Die beiden Max-Planck-Forscher Mantas Gabrielaitis und Professor Fred Wolf haben ein Computermodell entwickelt, das die Bewegungen der Calciumionen und die Rolle der Calcium bindenden Eiweiße mathematisch berechnet. „Wir wollten wissen, was die Haarzelle macht, um die Anweisung zur Freisetzung von Botenstoffen in der Zelle auf die richtige Stelle zu konzentrieren “, erklärt Mantas Gabrielaitis. „Dabei fanden wir heraus, dass die Calcium bindenden Eiweiße der Haarzelle helfen, das Calcium-Signal auf die Synapse zu fokussieren und so Hörreize mit minimalem Energieeinsatz an das Gehirn weiterzugeben.“

Mit dem Ergebnis ihrer Grundlagenforschung lässt sich jetzt grundsätzlich besser verstehen, wie die entscheidenden Sinneszellen des Hörsinnes „Höchstleistungen erbringen ohne Energie zu verschwenden“, betonen die Göttinger Wissenschaftler Moser und Wolf.