Blutkörperchen in Aktion

Wissenschaftler aus Münster, Paris und Jülich haben erstmals mit physikalischen Methoden nachgewiesen, wie sich rote Blutkörperchen bewegen. Ob die Zellen von äußeren Kräften bewegt werden oder aktiv „zappeln“, darüber hatte es unter Wissenschaftlern regelrechte Kämpfe gegeben. Ein internationales Team von Biophysikern aus Münster, Paris und Jülich hat nun bewiesen, dass beides stimmt. Sie haben physikalische Grundsätze und biologische Realität miteinander verknüpft und erkannt: Schnelle Moleküle in der Umgebung bringen die Zellmembran der Blutkörperchen zum Zappeln, aber wenn sie genug Reaktionszeit haben, sind Blutkörperchen auch selbst aktiv. Durch einen Vergleich von innovativen Experimenten mit neuen theoretischen Modellen kann dieser Prozess genau bestimmt werden. Erschienen ist die Studie in der Fachzeitschrift Nature Physics, einem der weltweit führenden Physik-Journale.

Rote Blutkörperchen (Erythrozyten) dienen dem Transport von Sauerstoff im Blut von Wirbeltieren. Den Grund für ihr ständiges Zappeln haben Physiker bislang einzig in thermischen, also äußeren Kräften gesehen. Biologische Überlegungen lassen dagegen vermuten: Auch innere, durch Proteine verursachte Kräfte sind dafür verantwortlich, dass sich die Zellmembran der Blutkörperchen verformt. „Unsere Ausgangsfrage lautete deshalb: Da Blutkörperchen lebendige Zellen sind, warum sollten nicht auch interne Kräfte in der Zelle auf die Membran wirken?“, sagt Dr. Timo Betz von der Westfälischen Wilhelmsuniversität Münster (WWU). „Für Biologen ist das  eigentlich klar, aber diese Kräfte waren eben nie Teil einer physikalischen Gleichung.“ Die Forscher haben sogar schon eine Vermutung, welche Kräfte innerhalb der Zelle die Zellmembran verformen. „In der Membran könnten Transportproteine solche Kräfte dadurch erzeugen, dass sie Ionen von einer Seite der Membran auf die andere befördern“, sagt Prof. Dr. Gerhard Gompper, Direktor am Forschungszentrum Jülich.

Timo Betz forscht seit dem Jahr 2015 als Biophysiker an der WWU und ist Leiter der Forschungsgruppe „Mechanics of cellular systems“ (Mechanik von Zellsystemen) des Exzellenzclusters „Cells in Motion“. Die Forschung zur Aktivität roter Blutkörperchen wurde als internationale Zusammenarbeit zwischen dem renommierten Pariser Institut Curie und dem Jülicher „Institute of Complex Systems“ und „Institute for Advanced Simulation“ begonnen, und jetzt in Münster, Paris und Jülich abgeschlossen. „Dabei war das Zusammenwirken der physikalischen Theorien von Hervé Turlier, der Computersimulationen von Dmitry Fedosov und Thorsten Auth, sowie meiner experimentellen Resultate der Schlüssel zum Erfolg“, erklärt Timo Betz. Die Kombination von Experiment, Theorie und Computer-Simulationen sind für neue Einsichten essentiell, weiß auch Gerhard Gompper: „Hochmoderne Simulationen sind heute dazu in der Lage, chemische und biologische Prozesse zu quantifizieren, die sich einer direkten experimentellen Beobachtung entziehen.”

Die Grundlagenforscher möchten mehr über die Mechanik von Blutkörperchen herausfinden und im Detail verstehen, welche Kräfte Zellen bewegen und formen. Gerade im Fall von roten Blutkörperchen ist es wichtig, über ihre Beschaffenheit und inneren Kräfte Bescheid zu wissen. Sie sind nämlich ungewöhnlich weich, elastisch und verformen sich, um auch durch die teilweise winzigen Blutgefäße unseres Körpers hindurchzupassen. Eben weil Blutkörperchen im Normalfall so weich sind, konnten Physiker in vorherigen Studien an ihrer äußeren Membran große thermische Fluktuationen messen. Diese natürlichen Bewegungen von Molekülen werden durch die Umgebungstemperatur bestimmt. Das heißt: Die Zellmembran der Blutkörperchen bewegt sich, weil Moleküle in der Umgebung sie anstoßen. Unter dem Mikroskop sieht das aus, als würden die Blutkörperchen zappeln.

Dies erklärt zwar, warum sich Blutkörperchen bewegen, fragt aber nicht nach möglichen inneren Kräften, die dazu beitragen. Das Forscherteam um Timo Betz hat deshalb den Fluktuationen von Blutkörperchen  mit einer neuen Methode auf den Zahn gefühlt: Mit einer sogenannten optischen Pinzette, einem konzentrierten Laserstrahl, haben die Forscher Blutkörperchen in einer Petrischale in die Länge gezogen und analysiert, wie sich die Zelle verhält. Das Ergebnis: Hatten die Blutkörperchen genügend Reaktionszeit, wurden sie selbst aktiv und konnten der Kraft der optischen Pinzette entgegenwirken. Blieb ihnen diese Zeit nicht, waren sie ihrer Umgebung ausgeliefert, und es wurden nur temperaturbedingte Kräfte gemessen.

„Wir können durch den Vergleich beider Messungen genau bestimmen, wie schnell die Zellen selbst aktiv werden und welche Kraft sie erzeugen, um sich zu verformen“, erklärt Betz. „Jetzt sind die Biologen dran: Wir Physiker haben nämlich nur eine grobe Idee, welche Proteine der Motor für diese Bewegung sein könnten. Dafür können wir genau vorhersagen, wie schnell und stark sie sind.“

Originalpublikation:
Turlier H., Fedosov D. A., Audoly B., Auth T., Gov N. S., Sykes C., Joanny J. F., Gompper G., Betz T. (2016):  Equilibrium physics breakdown reveals the active nature of red blood cell flickering. Nature Phys: PUBLISHED ONLINE: 18 JANUARY 2016 | DOI: 10.1038/NPHYS3621. Abstract