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Diese „Zellklumpen“ verblüffen Forscher

Amerikanische Wissenschaftler haben eine neue Art der Selbstvermehrung entdeckt. Sie berichten, dass Klümpchen aus Stammzellen des Krallenfroschs (Xenopus laevis) in der Lage sind, weitere solche Formationen zu „bauen“. Die kugeligen Zellklümpchen haben an ihrer Außenseite kleine Härchen und können sich so durch Laborgefäße bewegen.

Wenn sich außerdem viele einzelne Stammzellen im Gefäß befinden, schieben sie diese zu Haufen zusammen, die sich in wenigen Tagen selbst zu beweglichen Zellklümpchen entwickeln. Eine Gruppe um Josh Bongard von der University of Vermont in Burlington beschreibt diese Vorgänge im Fachjournal „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS). „Diese Form der Verewigung, die bisher in keinem Organismus gesehen wurde, entsteht spontan über Tage und nicht über Jahrtausende“, schreiben die Forscher.

Sie untersuchten zunächst Stammzellen, die sie Krallenfroschembryos in einem bestimmten Stadium, der Blastula, entnommen hatten. Entweder ließen sie einige miteinander verbundene Zellen zusammen oder brachten die Zellen nach der Vereinzelung wieder miteinander in Kontakt. Daraus entstanden in beiden Fällen die selbstbeweglichen Zellklümpchen mit den Härchen. In einem Nährmedium in einer Petrischale und vielen einzelnen Krallenfroschstammzellen führten die Zellklümpchen kreisende Bewegungen aus, mit denen sie Zellen zu Haufen zusammenschoben, sodass weitere Klümpchen mit Härchen entstanden.

In Computersimulationen suchten Bongard und Kollegen nach Formen dieser Zellklümpchen, die das Zusammenschieben von Zellen noch effizienter bewerkstelligen können. Mithilfe von künstlicher Intelligenz optimierten sie diese Formen. Als sehr effizient erwies sich ein donutförmiges Gebilde mit einer keilförmigen Lücke darin. Von der Seite betrachtet ähnelt es „Pac-Man“ aus dem gleichnamigen Computerspiel. Allerdings fraß das Gebilde keine Stammzellen, sondern schob sie zusammen.

HANDOUT - ACHTUNG: DIESER BEITRAG DARF NICHT VOR DER SPERRFRIST, 29. NOVEMBER 21.00 UHR, VERÖFFENTLICHT WERDEN! EIN BRUCH DES EMBARGOS KÖNNTE DIE BERICHTERSTATTUNG ÜBER STUDIEN EMPFINDLICH EINSCHRÄNKEN. CAPTION A simulation of a computer designed organism collecting stem cells in the environment (left) accurately predicts the behavior of the system in vitro (right). CREDIT Sam Kriegman and Douglas Blackiston. USAGE RESTRICTIONS None. LICENSE Original content VERWENDUNG NUR IN ZUSAMMENHANG MIT DER STUDIE Foto: Sam Kriegman and Douglas Blackiston

Ein Computersimulation (links) sagt das Verhalten der speziell geformten Stammzellklumpen im In-vitro-Experiment (rechts) voraus

Quelle: Sam Kriegman and Douglas Blackis

Im Labor schnitten die Wissenschaftler kleine Stücke aus den Zellklümpchen heraus, erzeugten also Lücken – tatsächlich schoben die anders geformten Zellklümpchen durchschnittlich größere Zellhaufen zusammen. Diese Haufen entwickelten sich mit einer größeren Wahrscheinlichkeit zu Klümpchen - dazu sind mindestens 50 Zellen nötig. Während kugelförmige Zellklümpchen höchstens zwei Generationen hervorbrachten, waren es bei „Pac-Man“-Zellklümpchen bis zu vier Generationen.

„Obwohl bei bestehenden zellulären Lebensformen keine kinematische Selbstvermehrung beobachtet wurde, könnte sie für den Ursprung des Lebens wesentlich gewesen sein“, schreiben die Wissenschaftler. So zeigen Amyloide (Eiweißkomplexe) ähnliche Fähigkeiten, Kopien ihrer selbst herzustellen. Dies könnte jeder Form eines genetischen Codes vorausgegangen sein. Bestimmte Amyloide stehen auch mit der Entwicklung von Demenz in Zusammenhang. In weiteren Computermodellierungen versuchten die Forscher herauszufinden, wie man dieses Naturphänomen praktisch nutzen könnte.

So simulierten sie Laborgefäße mit Zellklümpchen, einzelnen Stammzellen, Mikronetzteilen, Lichtquellen und unterbrochenen Drähten. Je größer die Aktivität der Zellklümpchen im Laborgefäß war, desto mehr Lichter leuchteten auf. Im Modell ließ das Team um Bongard die Zellklümpchen dann gegen einen Roboterarm antreten: Während die Menge der Lichter, die der Roboter anknipste, im Diagramm eine leicht ansteigende Gerade ist, steigt die Lichterkurve der sich selbst vermehrenden Zellhaufen immer steiler an – sie zeigt ein exponentielles Wachstum. Damit konnten die Zellhaufen die Aufgabe im Modell deutlich effizienter lösen als die Roboter.