Biophysik: Die Geometrie des Lebens

Körperzellen erkennen räumliche Muster im Nanometerbereich. Dadurch lässt sich ihr Verhalten programmieren

Was Joachim Spatz entdeckt hat, passt in keine disziplinäre Schublade - ebenso wenig wie die Karriere des Professors für Biophysikalische Chemie in Heidelberg und Direktors am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung. Vor etwa vier Jahren bemerkte der Wissenschaftler eine auffallende Ähnlichkeit zwischen den kleinsten biologischen Strukturen in Gewebe - etwa der Haut - und den winzigen Mustern von Punkten auf Oberflächen, wie sie durch nanotechnische Verfahren erzeugt werden.

Nanotechnik wird beispielsweise eingesetzt, um besonders schmutzabweisende Flächen herzustellen - dabei spielt die dichte räumliche Packung der Punkte eine wesentliche Rolle. Im Körper, so stellte sich inzwischen heraus, haben die Nanomuster aber auch einen biologischen Nutzen. Denn von der Anordnung der winzig kleinen Stellen, an denen eine Zelle im Gewebe Fuß fassen kann, hängt es ab, ob sie lebt oder stirbt. "Eine Zelle verhält sich fast wie ein Mensch", sagt Joachim Spatz. "Findet sie an einem Ort zu wenige Kontakte, wandert sie weiter, verkümmert oder begeht gar Selbstmord."

Am wohlsten fühlt sich der Miniorganismus, wenn die Kontaktpunkte im Abstand von rund 58 Nanometern angesiedelt sind. An solchen Oberflächen verweilt die Zelle gern und bildet Fortsätze aus, die sich mit den Kontaktstellen verbinden. Das zeigte sich im Experiment anhand eines Musters von speziell behandelten Goldpunkten auf einer Glasoberfläche.

Bei Abständen, die größer waren als 73 Nanometer, "wurden die untersuchten Gewebezellen hingegen unruhig, wanderten geradezu panisch weiter und starben innerhalb von zwei Tagen, wenn ihnen keine geeignete Heimat zur Verankerung geboten wurde", sagt Spatz.

Und der durch die Anordnung bedingte Effekt tritt auch in anderer Weise zutage - zum Beispiel bei der Proteinbiosynthese, die ebenfalls von einem veränderten Abstand der Kontakte abhängt. So erhöht sich etwa das Molekulargewicht des von der Zelle produzierten Proteins Fibronektin mit zunehmender Kontaktdistanz. Diese Erkenntnis könnte Forscher im Prinzip in die Lage versetzen, Zellen mittels räumlicher Muster auf eine bestimmte Produktion von Stoffen zu programmieren - ohne jede Genmanipulation. Spatz hofft, dass seine Entdeckung eines Tages auch von medizinischem Nutzen sein wird - zum Beispiel für das Verständnis der Metastasenbildung während einer Krebserkrankung. Denn in diesem Stadium beginnen Zellen ebenfalls zu wandern, siedeln sich dann aber unkontrolliert an.

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