Zellen verfügen über ihr eigenes verborgenes „Windsystem“, das Proteine schnell bewegt und die Krebsforschung verändern könnte.
Forscher der Oregon Health & Science University haben ein bisher unbekanntes System im Inneren von Zellen identifiziert, das wie interne „Passatwinde“ funktioniert und wichtige Proteine schnell an die Vorderkante der Zelle transportiert. Diese Entdeckung verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler Zellbewegung, Krebsausbreitung und Wundheilung verstehen.
Die in I veröffentlichten Ergebnisse stellen langjährige Vorstellungen darüber in Frage, wie Proteine zur richtigen Zeit in Zellen an den richtigen Ort gelangen.
Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass sich in Zellen schwebende Proteine hauptsächlich durch Diffusion bewegten und zufällig drifteten, bis sie ihr Ziel erreichten. Die neue Forschung zeigt, dass dieser Prozess nicht dem Zufall überlassen wird. Zellen erzeugen aktiv gerichtete Flüssigkeitsströme, die wichtige Proteine in Bereiche befördern, in denen Bewegung und Reparatur stattfinden.
Unerwartetes Klassenzimmerexperiment führt zum Durchbruch
Die Entdeckung begann mit einer ungeplanten Beobachtung während eines Neurobiologiekurses am Marine Biological Laboratory in Massachusetts. Die Co-Autoren der Studie, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D., und James (Jim) Galbraith, Ph.D., führten ein Routineexperiment mit Studenten durch, als etwas Ungewöhnliches auftrat.
„Eigentlich war es zunächst eine unerwartete Entdeckung“, sagte Cathy. „Wir haben gerade ein Experiment mit Schülern im Unterricht durchgeführt.“
In dem Experiment wurde ein Laser verwendet, um Proteine in einem Streifen auf der Rückseite einer lebenden Zelle vorübergehend unsichtbar zu machen, eine gängige Methode zur Verfolgung von Bewegungen innerhalb von Zellen. Während des Prozesses bemerkten die Forscher, dass sich eine zweite dunkle Linie an der Vorderkante der Zelle bildete, dem Bereich, der sich ausdehnt, wenn sich die Zelle bewegt.
„Wir haben es irgendwie zum Spaß gemacht und dann gemerkt, dass wir damit eine Möglichkeit haben, etwas zu messen, das vorher nicht gemessen werden konnte“, sagte sie.
Weitere Analysen ergaben, dass dieses dunkle Band eine Welle von löslichem Aktin darstellte, einem Protein, das eine zentrale Rolle bei der Zellbewegung spielt und schnell nach vorne gedrängt wurde. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass Aktin hauptsächlich durch zufällige Diffusion dorthin gelangt. Die neuen Ergebnisse zeigten, dass ein völlig anderer Mechanismus am Werk ist.
„Wir haben festgestellt, dass den Cartoon-Modellen in Lehrbüchern ein großes Stück fehlt“, sagte Jim. „Es musste eine Art Fluss in der Zelle geben, der die Dinge vorantreibt. Zellen gehen wirklich ‚mit dem Strom‘.“
Gezielte Flüssigkeitsströme treiben die Zellbewegung an
Cathy und Jim kamen 2013 zu OHSU, nachdem sie dort gearbeitet hattenNationale Gesundheitsinstitute, wo sie mit dem Nobelpreisträger Eric Betzig, Ph.D., am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute zusammenarbeiteten, um fortschrittliche Live-Zell-Bildgebungswerkzeuge zu entwickeln.
Mithilfe spezieller Bildgebungstests stellte das Team fest, dass Zellen aktiv gerichtete Flüssigkeitsströme erzeugen, ähnlich wie atmosphärische Flüsse. Diese Ströme bewegen Aktin und andere Proteine weitaus schneller zur Vorderseite der Zelle als nur die Diffusion.
„Wir haben herausgefunden, dass die Zelle sich tatsächlich nach hinten drücken und gezielt dorthin schicken kann, wohin sie das Material schickt“, sagte Jim. „Wenn man einen halben Schwamm ausdrückt, gelangt das Wasser nur auf diese Hälfte. Das ist im Grunde das, was die Zelle tut.“
Diese Ströme sind unspezifisch, das heißt, sie transportieren viele verschiedene Proteine gleichzeitig. Dadurch entsteht ein schnelles und effizientes Transportsystem, das das Vorstehen, die Adhäsion und schnelle Formänderungen der Zellen unterstützt. Diese Prozesse sind für die Zellbewegung, Immunantworten und Gewebereparatur von wesentlicher Bedeutung.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Strömungen innerhalb einer speziellen Region an der Vorderseite der Zelle stattfinden. Dieser Bereich ist vom Rest der Zelle durch eine Aktin-Myosin-Kondensatbarriere getrennt, die wie eine physikalische Grenze wirkt und Proteine zu vorrückenden Teilen des Zellrandes leitet.
Neue Bildgebungstechnik enthüllt Zellströme
Um diese internen Bewegungen zu beobachten, entwickelte das Team eine modifizierte Version einer Standard-Fluoreszenztechnik. Anstatt die Fluoreszenz zu entfernen, aktivierten sie fluoreszierende Moleküle an einem einzigen Punkt und verfolgten, wie sie sich ausbreiteten.
Eines ihrer Schlüsselexperimente hieß FLOP (Fluoreszenz verlässt den Originalpunkt).
„Es war überhaupt kein Flop“, sagte Cathy. „Das Gegenteil war der Fall. Es ist alles andere als ein Flop, denn es hat funktioniert.“ Die Entdeckung des Teams könnte helfen zu erklären, warum sich bestimmte Krebszellen so aggressiv bewegen.
Einblicke in die Migration von Krebszellen
Die Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung dafür, warum manche Krebszellen besonders invasiv sind.
„Wir wissen, dass diese hochinvasiven Zellen über diesen wirklich coolen Mechanismus verfügen, um Proteine sehr schnell dorthin zu schieben, wo sie sie an der Vorderseite der Zelle benötigen“, sagte Jim. „Alle Zellen haben grundsätzlich die gleichen Komponenten im Inneren, ähnlich wie ein Porsche und ein Volkswagen viele der gleichen Teile haben, aber wenn diese Teile in die endgültige Maschine eingebaut werden, verhalten und funktionieren sie ganz anders.“
Indem sie herausfinden, wie dieses System in Krebszellen anders funktioniert, hoffen die Forscher, neue Wege zu finden, ihre Bewegung zu verlangsamen oder zu stoppen.
„Wenn Sie die Unterschiede verstehen, können Sie zukünftige Therapien darauf ausrichten, wie Krebszellen und normale Zellen unterschiedlich funktionieren“, sagte er.
Zusammenarbeit und fortschrittliche Mikroskopie machten es möglich
Dieses Projekt kombinierte Fachwissen aus Ingenieurwesen, Physik, Mikroskopie und Zellbiologie. Wichtige Mitarbeiter des Janelia Research Campus in Virginia steuerten fortschrittliche Werkzeuge bei, darunter Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und hochauflösende 3D-Bildgebung.
„Die Instrumente, die wir brauchten, gibt es an den meisten Orten nicht“, sagte Cathy. „Janelia hatte ein einzigartiges Setup, mit dem wir testen und bestätigen konnten, was wir sahen.“
Die Arbeit stützte sich stark auf modernste Bildgebungsmethoden, die bei Janelia entwickelt wurden, darunter iPALM, eine interferometrische Technik, die Strukturen im Nanometerbereich auflösen kann.
„iPALM ermöglichte es uns, die Fächer physisch zu sehen“, sagte Jim. „Es gibt keine andere lichtbasierte Technik, die das könnte.“
Entdeckung einer neuen „Pseudoorganelle“
Die Forscher beschreiben dieses System als „Pseudoorganelle“, ein funktionelles Kompartiment, das nicht von einer Membran umschlossen ist, aber dennoch eine wichtige Rolle bei der Organisation der Zellaktivität spielt.
„So wie kleine Veränderungen im Jetstream das Wetter verändern können, könnten kleine Veränderungen dieser Zellwinde die Entstehung oder das Fortschreiten von Krankheiten verändern“, sagte Cathy.
Das Team glaubt, dass diese Entdeckung neue Möglichkeiten in der Krebsforschung, der Arzneimittelverabreichung, der Gewebereparatur und der synthetischen Biologie eröffnen könnte.
„Du musstest nur schauen“, sagte Cathy. „Die Flüsse waren die ganze Zeit da. Jetzt wissen wir, wie Zellen sie nutzen.“
Referenz: „Kompartimentalisierte zytoplasmatische Passatwinde lenken lösliche Proteine“ von Catherine G. Galbraith, Brian P. English, Ulrike Boehm und James A. Galbraith, 30. März 2026,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-026-70688-6
Neben den Galbraiths sind Brian English, Ph.D., vom Janelia Research Campus, und Ulrike Boehm, Ph.D., früher bei Janelia und jetzt bei der Carl Zeiss AG in Deutschland, Mitautoren dieser Studie.
Diese Studie wurde vom National Institute of General Medical Sciences, den National Institutes of Health unter der Preisnummer R01GM117188, der U.S. National Science Foundation unter den Preisnummern 2345411 und 171636, der W. M. Keck Foundation, dem Janelia Visiting Scientist Program des Howard Hughes Medical Institute und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt. Die iPALM-Arbeit wurde teilweise durch eine Auszeichnung des Advanced Imaging Center in Janelia unterstützt. Die SIM-Bildgebung wurde teilweise durch ein Core Research Facilities-Stipendium der OHSU School of Medicine unterstützt.
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Zellen verfügen über ihr eigenes verborgenes „Windsystem“, das Proteine schnell bewegt und die Krebsforschung verändern könnte.
Forscher der Oregon Health & Science University haben ein bisher unbekanntes System im Inneren von Zellen identifiziert, das wie interne „Passatwinde“ funktioniert und wichtige Proteine schnell an die Vorderkante der Zelle transportiert. Diese Entdeckung verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler Zellbewegung, Krebsausbreitung und Wundheilung verstehen.
Die in I veröffentlichten Ergebnisse stellen langjährige Vorstellungen darüber in Frage, wie Proteine zur richtigen Zeit in Zellen an den richtigen Ort gelangen.
Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass sich in Zellen schwebende Proteine hauptsächlich durch Diffusion bewegten und zufällig drifteten, bis sie ihr Ziel erreichten. Die neue Forschung zeigt, dass dieser Prozess nicht dem Zufall überlassen wird. Zellen erzeugen aktiv gerichtete Flüssigkeitsströme, die wichtige Proteine in Bereiche befördern, in denen Bewegung und Reparatur stattfinden.
Unerwartetes Klassenzimmerexperiment führt zum Durchbruch
Die Entdeckung begann mit einer ungeplanten Beobachtung während eines Neurobiologiekurses am Marine Biological Laboratory in Massachusetts. Die Co-Autoren der Studie, Catherine (Cathy) Galbraith, Ph.D., und James (Jim) Galbraith, Ph.D., führten ein Routineexperiment mit Studenten durch, als etwas Ungewöhnliches auftrat.
„Eigentlich war es zunächst eine unerwartete Entdeckung“, sagte Cathy. „Wir haben gerade ein Experiment mit Schülern im Unterricht durchgeführt.“
In dem Experiment wurde ein Laser verwendet, um Proteine in einem Streifen auf der Rückseite einer lebenden Zelle vorübergehend unsichtbar zu machen, eine gängige Methode zur Verfolgung von Bewegungen innerhalb von Zellen. Während des Prozesses bemerkten die Forscher, dass sich eine zweite dunkle Linie an der Vorderkante der Zelle bildete, dem Bereich, der sich ausdehnt, wenn sich die Zelle bewegt.
„Wir haben es irgendwie zum Spaß gemacht und dann gemerkt, dass wir damit eine Möglichkeit haben, etwas zu messen, das vorher nicht gemessen werden konnte“, sagte sie.
Weitere Analysen ergaben, dass dieses dunkle Band eine Welle von löslichem Aktin darstellte, einem Protein, das eine zentrale Rolle bei der Zellbewegung spielt und schnell nach vorne gedrängt wurde. Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass Aktin hauptsächlich durch zufällige Diffusion dorthin gelangt. Die neuen Ergebnisse zeigten, dass ein völlig anderer Mechanismus am Werk ist.
„Wir haben festgestellt, dass den Cartoon-Modellen in Lehrbüchern ein großes Stück fehlt“, sagte Jim. „Es musste eine Art Fluss in der Zelle geben, der die Dinge vorantreibt. Zellen gehen wirklich ‚mit dem Strom‘.“
Gezielte Flüssigkeitsströme treiben die Zellbewegung an
Cathy und Jim kamen 2013 zu OHSU, nachdem sie dort gearbeitet hattenNationale Gesundheitsinstitute, wo sie mit dem Nobelpreisträger Eric Betzig, Ph.D., am Janelia Research Campus des Howard Hughes Medical Institute zusammenarbeiteten, um fortschrittliche Live-Zell-Bildgebungswerkzeuge zu entwickeln.
Mithilfe spezieller Bildgebungstests stellte das Team fest, dass Zellen aktiv gerichtete Flüssigkeitsströme erzeugen, ähnlich wie atmosphärische Flüsse. Diese Ströme bewegen Aktin und andere Proteine weitaus schneller zur Vorderseite der Zelle als nur die Diffusion.
„Wir haben herausgefunden, dass die Zelle sich tatsächlich nach hinten drücken und gezielt dorthin schicken kann, wohin sie das Material schickt“, sagte Jim. „Wenn man einen halben Schwamm ausdrückt, gelangt das Wasser nur auf diese Hälfte. Das ist im Grunde das, was die Zelle tut.“
Diese Ströme sind unspezifisch, das heißt, sie transportieren viele verschiedene Proteine gleichzeitig. Dadurch entsteht ein schnelles und effizientes Transportsystem, das das Vorstehen, die Adhäsion und schnelle Formänderungen der Zellen unterstützt. Diese Prozesse sind für die Zellbewegung, Immunantworten und Gewebereparatur von wesentlicher Bedeutung.
Die Forscher fanden außerdem heraus, dass die Strömungen innerhalb einer speziellen Region an der Vorderseite der Zelle stattfinden. Dieser Bereich ist vom Rest der Zelle durch eine Aktin-Myosin-Kondensatbarriere getrennt, die wie eine physikalische Grenze wirkt und Proteine zu vorrückenden Teilen des Zellrandes leitet.
Neue Bildgebungstechnik enthüllt Zellströme
Um diese internen Bewegungen zu beobachten, entwickelte das Team eine modifizierte Version einer Standard-Fluoreszenztechnik. Anstatt die Fluoreszenz zu entfernen, aktivierten sie fluoreszierende Moleküle an einem einzigen Punkt und verfolgten, wie sie sich ausbreiteten.
Eines ihrer Schlüsselexperimente hieß FLOP (Fluoreszenz verlässt den Originalpunkt).
„Es war überhaupt kein Flop“, sagte Cathy. „Das Gegenteil war der Fall. Es ist alles andere als ein Flop, denn es hat funktioniert.“ Die Entdeckung des Teams könnte helfen zu erklären, warum sich bestimmte Krebszellen so aggressiv bewegen.
Einblicke in die Migration von Krebszellen
Die Ergebnisse bieten eine mögliche Erklärung dafür, warum manche Krebszellen besonders invasiv sind.
„Wir wissen, dass diese hochinvasiven Zellen über diesen wirklich coolen Mechanismus verfügen, um Proteine sehr schnell dorthin zu schieben, wo sie sie an der Vorderseite der Zelle benötigen“, sagte Jim. „Alle Zellen haben grundsätzlich die gleichen Komponenten im Inneren, ähnlich wie ein Porsche und ein Volkswagen viele der gleichen Teile haben, aber wenn diese Teile in die endgültige Maschine eingebaut werden, verhalten und funktionieren sie ganz anders.“
Indem sie herausfinden, wie dieses System in Krebszellen anders funktioniert, hoffen die Forscher, neue Wege zu finden, ihre Bewegung zu verlangsamen oder zu stoppen.
„Wenn Sie die Unterschiede verstehen, können Sie zukünftige Therapien darauf ausrichten, wie Krebszellen und normale Zellen unterschiedlich funktionieren“, sagte er.
Zusammenarbeit und fortschrittliche Mikroskopie machten es möglich
Dieses Projekt kombinierte Fachwissen aus Ingenieurwesen, Physik, Mikroskopie und Zellbiologie. Wichtige Mitarbeiter des Janelia Research Campus in Virginia steuerten fortschrittliche Werkzeuge bei, darunter Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und hochauflösende 3D-Bildgebung.
„Die Instrumente, die wir brauchten, gibt es an den meisten Orten nicht“, sagte Cathy. „Janelia hatte ein einzigartiges Setup, mit dem wir testen und bestätigen konnten, was wir sahen.“
Die Arbeit stützte sich stark auf modernste Bildgebungsmethoden, die bei Janelia entwickelt wurden, darunter iPALM, eine interferometrische Technik, die Strukturen im Nanometerbereich auflösen kann.
„iPALM ermöglichte es uns, die Fächer physisch zu sehen“, sagte Jim. „Es gibt keine andere lichtbasierte Technik, die das könnte.“
Entdeckung einer neuen „Pseudoorganelle“
Die Forscher beschreiben dieses System als „Pseudoorganelle“, ein funktionelles Kompartiment, das nicht von einer Membran umschlossen ist, aber dennoch eine wichtige Rolle bei der Organisation der Zellaktivität spielt.
„So wie kleine Veränderungen im Jetstream das Wetter verändern können, könnten kleine Veränderungen dieser Zellwinde die Entstehung oder das Fortschreiten von Krankheiten verändern“, sagte Cathy.
Das Team glaubt, dass diese Entdeckung neue Möglichkeiten in der Krebsforschung, der Arzneimittelverabreichung, der Gewebereparatur und der synthetischen Biologie eröffnen könnte.
„Du musstest nur schauen“, sagte Cathy. „Die Flüsse waren die ganze Zeit da. Jetzt wissen wir, wie Zellen sie nutzen.“
Referenz: „Kompartimentalisierte zytoplasmatische Passatwinde lenken lösliche Proteine“ von Catherine G. Galbraith, Brian P. English, Ulrike Boehm und James A. Galbraith, 30. März 2026,Naturkommunikation.
DOI: 10.1038/s41467-026-70688-6
Neben den Galbraiths sind Brian English, Ph.D., vom Janelia Research Campus, und Ulrike Boehm, Ph.D., früher bei Janelia und jetzt bei der Carl Zeiss AG in Deutschland, Mitautoren dieser Studie.
Diese Studie wurde vom National Institute of General Medical Sciences, den National Institutes of Health unter der Preisnummer R01GM117188, der U.S. National Science Foundation unter den Preisnummern 2345411 und 171636, der W. M. Keck Foundation, dem Janelia Visiting Scientist Program des Howard Hughes Medical Institute und dem Howard Hughes Medical Institute unterstützt. Die iPALM-Arbeit wurde teilweise durch eine Auszeichnung des Advanced Imaging Center in Janelia unterstützt. Die SIM-Bildgebung wurde teilweise durch ein Core Research Facilities-Stipendium der OHSU School of Medicine unterstützt.
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