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Neue Erkenntnisse zur Zellhydratation
Warum bekommen wir einen Kater? «Dieser wird durch ein Wasserungleichgewicht in unserem Körper verursacht», sagt Sylvie Roke, die Leiterin des Labors für Biophotonik an der EPFL. «Unsere Zellen werden dehydriert, da sie den Alkohol durch Osmose ausscheiden. Dieser Prozess findet jeden Tag in unserem Körper statt, ohne dass wir es überhaupt wissen. Die Falten, die in unseren Fingern entstehen, wenn wir zu lange in der Badewanne bleiben, sind ein weiteres Beispiel – das ist das Ergebnis des Eindringens von Wasser in unseren Körper und dann in unsere Zellen.»
«Osmose entsteht, wenn zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Konzentrationen eines bestimmten gelösten Stoffes durch eine semipermeable Membran in Kontakt kommen», sagt Aurélien Roux, Professor für Biochemie an der Universität Genf. «Das Wasser geht von der Flüssigkeit mit niedrigerer Konzentration in die Flüssigkeit mit höherer Konzentration über, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den beiden Flüssigkeiten einstellt.»
Alles dreht sich um Spannung
Roke und Roux untersuchen die molekularen Mechanismen, die an der Spannung der Zellmembran beteiligt sind – auf nanometrischer und mikroskopischer Ebene noch weitgehend unbekannt – in einem Projekt, das gerade einen Synergy Grant vom Europäischen Forschungsrat erhalten hat.
Osmose findet durch unsere Zellmembranen statt, weil sie semipermeabel sind: Sie lassen Wasser durch, aber keine Ionen. Die Membranen schützen die Zellen vor ihrer Umgebung, und indem sie die elektrische Aktivität der Zellen und den Austausch von Verbindungen mit den umgebenden Flüssigkeiten regulieren, halten sie die Zellen gesund und stabil.
Wenn Osmose über eine Zellmembran stattfindet, kann sich das Zellvolumen – wie bei einem Ballon – ausdehnen oder zusammenziehen, wodurch die Spannung in der Membran erhöht oder verringert wird. Die gleichen Veränderungen der Membranspannung können während der Zellmigration beobachtet werden. «Die Kontrolle dieser Spannung ist genauso wichtig wie die Kontrolle unserer Körpertemperatur», sagt Roux. «Erstens: Wenn die Spannung zu hoch wird, kann die Zellmembran reissen. Zweitens spielt diese Spannung eine wichtige Rolle bei der Regulierung vieler zellulärer Prozesse.»
Innovative Methoden
Es wurden bereits viele Studien über die Spannung der Zellmembran durchgeführt, aber die dabei verwendeten Methoden bieten nicht genügend räumliche und zeitliche Auflösung, um die zugrunde liegenden molekularen Wechselwirkungen gründlich zu untersuchen.
Roke und Roux planen daher die Entwicklung neuer Systeme für nichtlineare Bildgebung und optische Spektroskopie, die sich auf die im Labor der EPFL entwickelte Technologie stützen. Roke sagt: «Wir werden zwei Mikroskope bauen: Eines, das mit Sonden beobachtet, wie Wassermoleküle mit den Lipiden, aus denen eine Zellmembran besteht, interagieren, und ein anderes, mit dem wir die Membranspannung mit einer noch nie dagewesenen räumlich-zeitlichen Auflösung untersuchen können. Das wird eine Menge Kalibrierarbeit erfordern, die wir mit Hilfe von Auréliens biophysikalischen und zellbiologischen Ressourcen durchführen werden.»
Sylvie Roke in ihrem Labor (Foto aufgenommen vor Inkrafttreten der derzeitigen Hygienemassnahmen) © Alain Herzog/EPFL
Wasser und Biologie
«Rund 60 % des menschlichen Körpers bestehen aus Wasser. Deshalb ist es wichtig zu verstehen, wie unsere Zellen den Fluss dieser Flüssigkeit steuern», sagt Roke, «und um das zu tun, müssen wir die molekularen Wechselwirkungen und die Dynamik untersuchen, wie Wassermoleküle mit den Zellmembranen interagieren.»
Die Systeme, die sie und Roux entwickeln, werden grundlegende Informationen darüber liefern, wie Zellen auf osmotische Schocks reagieren – eine Reaktion, die bei Infektionen und bei der Nieren- und Darmfunktion eine wichtige Rolle spielt. Sie werden auch mehr über die Zellmigration erfahren, die für viele Zellprozesse wie die Wundheilung, die Ausbreitung von Krebszellen und die immunologische Reaktion von entscheidender Bedeutung ist.