Wie entsteht durch das kollektive Zusammenspiel von vielen einzelnen Zellen ein perfekt geformter Organismus? Diese Frage steht im Zentrum einer neuen Studie. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Bielefeld hat untersucht, wie Zellen trotz uneinheitlicher Proteinproduktion gemeinsam eine geordnete Struktur außerhalb ihrer selbst erzeugen: die extrazelluläre Matrix (ECM).
„Indem wir ein wichtiges Strukturprotein sichtbar gemacht haben, konnten wir Prinzipien der Selbstorganisation im lebenden Organismus aufdecken“, erklärt Professor Dr. Armin Hallmann von der Universität Bielefeld, Letztautor der Studie. Die Forschenden arbeiteten mit der Grünalge Volvox carteri, einem kugelförmigen, vielzelligen Modellorganismus mit etwa 2000 Zellen.
„Indem wir ein wichtiges Strukturprotein sichtbar gemacht haben, konnten wir Prinzipien der Selbstorganisation im lebenden Organismus aufdecken“, erklärt Professor Dr. Armin Hallmann von der Universität Bielefeld, Letztautor der Studie. Die Forschenden arbeiteten mit der Grünalge Volvox carteri, einem kugelförmigen, vielzelligen Modellorganismus mit etwa 2000 Zellen.
Sichtbar gemacht: Die ECM im lebenden Organismus
Die extrazelluläre Matrix (ECM) ist ein netzartiges Material, das von Zellen abgesondert wird und Geweben Struktur verleiht, Signale überträgt und für die Entwicklung mehrzelliger Organismen entscheidend ist. Um die ECM-Struktur sichtbar zu machen, versahen die Forschenden das Protein Pherophorin II gentechnisch mit einem fluoreszierenden Marker, der von einer Leuchtqualle stammt.
Mithilfe eines konfokalen Laserscanning-Mikroskops konnten sie die feine Struktur der ECM im lebenden Organismus in hoher Auflösung sichtbar machen. Dabei zeigte sich, dass Pherophorin II an den Grenzflächen der ECM-Kompartimente einzelner Zellen sowie an der Oberfläche des Organismus lokalisiert ist. Obwohl jede Zelle unterschiedlich viele Proteine für die ECM produziert, bleibt die äußere Struktur des Organismus überraschend stabil und kugelförmig.
Geordnete Struktur trotz starker Variabilität der Zellen
Die Forschenden haben herausgefunden, dass die Größe der ECM-Kompartimente einer mathematischen k-Gamma-Verteilung entspricht. Dies deutet darauf hin, dass die Zellen die Proteine für die ECM in stark unterschiedlichen Mengen produzieren. Der Aufbau der ECM wird nicht von einer einzelnen Zelle gesteuert, sondern entsteht durch das kollektive Zusammenspiel vieler Zellen. Da die ECM außerhalb der Zellen gebildet wird, erfolgt dieser Prozess quasi durch eine Art „Fernsteuerung“. „Man kann sich das vorstellen wie viele Menschen, die blind an einem gemeinsamen Puzzle bauen und es gelingt trotzdem“, so Hallmann. Die ECM-Struktur, die sich um die Zellen bildet, besitzt abgerundete oder polygonale Begrenzungen, die sich beim Wachstum dynamisch entwickeln, wodurch die Struktur in ihrer Geometrie einem Schaum ähnelt.
Diese Forschung liefert neue Einblicke in die Entwicklungsbiologie und zeigt, wie Zellen äußere Strukturen gemeinsam formen können, ohne dabei direkt miteinander koordiniert zu sein. Die Lösung liegt demnach in der Selbstorganisation, einem komplexen Zusammenspiel aus biologischen, physikalischen und mathematischen Prozessen. Professor Raymond Goldstein betont: „Diese Arbeit zeigt die starke Synergie, die entsteht, wenn Biologinnen, Physikerinnen und Mathematiker*innen gemeinsam versuchen, die Geheimnisse des Lebens zu verstehen.“
Quelle
Universität Bielefeld (08/2025)
Publikation
Benjamin von der Heyde, Anand Srinivasan, Sumit Kumar Birwa, Eva Laura von der Heyde, Steph S.M.H. Höhn, Raymond E. Goldstein and Armin Hallmann: Spatiotemporal distribution of the glycoprotein pherophorin II reveals stochastic geometry of the growing ECM of Volvox carteri. PNAS. https://doi.org/10.1073/pnas.2425759122, veröffentlicht am 12. August 2025.