Auf dem Weg zu einem Verständnis der biochemischen Vorgänge in einer lebenden Zelle bauten Wissenschaftler vom <a href=http://www.e14.ph.tum.de target=“_blank“>Lehrstuhl für Bioelektronik</a> der TU München eine solche in Form von mikroskopisch kleinen Tröpfchen nach. Oszillierende chemische Reaktionen zeigten darin ein unerwartet vielfältiges Verhalten.

Den Vorgängen in lebenden Systemen kann man sich synthetisch auf verschiedene Weise nähern. Eine Möglichkeit ist, die Zelle als kleinen umschlossenen Raum für viele, miteinander vernetzte chemischen Reaktionen zu betrachten. In der Arbeitsgruppe von Friedrich Simmel an der Technischen Universität München versucht man, derartige Systeme mithilfe von Tröpfchen im Mikrometer-Maßstab nachzustellen, die man durch Ausschütteln einer wässrigen Reaktionslösung mit Öl erhält. Durch die große Zahl der auf diese Weise hergestellten „Nanoreaktionssysteme“ können viele Versuche parallel gemacht werden.

Erstaunliche Vielfalt

Platziert man nun in derartigen Tröpfchen ein oszillierendes biochemisches Reaktionssystem – bestehend aus mehreren miteinander verzahnten Reaktionen, bei denen sich immer wieder DNA-Stränge aneinanderlegen und so durch ihr Fluoreszenzsignal detektiert werden können – kann man die Abhängigkeit des biochemischen Geschehens von der Größe der Kompartimente untersuchen. Simmel und seine Mitarbeiter konnten zeigen, dass  die in unterschiedlichen Tröpfchen beobachteten Oszillationen stärker voneinander abwichen, als durch ein mathematisches Modell vorhergesagt wurde, sodass sich zwei Systeme mit exakt gleichem Verhalten gar nicht realisieren ließen. Je kleiner die Mikroreaktionssysteme waren, desto stärker zeigten sie ein individuelles Verhalten, wie man das auch von lebenden Zellen kennt. Im nächsten Schritt soll nun versucht werden, die theoretischen Modelle zur Beschreibung biochemischer Oszillatoren anhand der neu gewonnenen Daten zu verbessern.

Der Originalartikel „Diversity in the dynamical behavior of a compartmentalized programmable biochemical oscillator“ wurde am 16. Februar in „Nature Chemistry“ publiziert