Entwicklungsgeschichte

Sanfter Druck zur richtigen Form

Wie entsteht aus einem Ei ein Lebewesen? Der Physiker Christof Aegerter ist überzeugt, dass nicht nur genetische Codes und molekulare Steuerungsmechanismen die endgültige Form bestimmen, sondern auch physikalische Kräfte beteiligt sind.

Felix Würsten

Die Entstehung eines Lebewesens ist unglaublich faszinierend: Aus einem einfachen, runden Ei wächst nach und nach ein mehr oder weniger komplexer Organismus, der optimal an seine Umgebung angepasst ist. Das Wunder der Entwicklung eines Lebewesens hat auch das Interesse des Physikers Christof Aegerter, Privatdozent am Physik-Institut der Universität Zürich, geweckt: «Wenn aus einem kugelförmigen Ei etwas entsteht, das Hände, Füsse oder Flügel besitzt, dann ist das eine Symmetriebrechung. Und Symmetriebrechungen interessieren uns Physiker brennend.»

Präparieren der Imaginalscheiben der Taufliege Drosophila melanogaster: Präzsionsarbeit gefordert. (Bild: Stefan Walter)

Elegante Steuerung

Die Entschlüsselung des Genoms und das Aufdecken von immer neuen biochemischen Prozessen brachte zwar eine Vielzahl an Erkenntnissen mit sich. Dennoch zeigt sich heute immer deutlicher, dass mit diesem Ansatz alleine das Bild unvollständig bleibt. Abseits des genetischen Codes und der molekularen Steuerungsmechanismen muss es noch andere Faktoren geben, die das Wachstum eines Lebewesens steuern.

Ein konkretes Beispiel dafür ist das Knochenwachstum: Vergleicht man einen Elefanten mit einer Hauskatze, dann leuchtet sofort ein, dass der Elefant wesentlich stärkere Kochen haben muss als die Hauskatze. Die Frage ist: Ist die Form der Knochen bereits im genetischen Code festgeschrieben? Oder ist es das Gewicht, das zu der entsprechenden Knochenform führt?

Es gibt konkrete Hinweise darauf, dass nicht der genetische Code alleine, sondern auch äussere physikalische Kräfte die Knochenform prägen. Ein Kind, das bereits gelähmt auf die Welt kommt, hat nach fünf Jahren Beinknochen, die genau gleich aussehen wie nach der Geburt, während sie sich bei einem gesunden Kind stark verändert haben. Die Knochen wachsen demnach nach einer einfachen Gesetzmässigkeit: Wo Kräfte aufgefangen werden müssen, wird Knochenmaterial gebildet, wo dies nicht nötig ist, findet auch kein Wachstum statt. Das wäre, meint Christof Aegerter, aus Sicht der Evolution eine elegante Lösung, weil so eine kontinuierliche Anpassung an veränderte Bedingungen ermöglicht würde.

Eine Gesetzmässigkeit theoretisch zu formulieren ist das eine; sie experimentell zu verifizieren das andere. Und genau da setzt die Gruppe von Aegerter an: Sie will experimentell nachweisen, dass äussere Kräfte das Wachstum von Organen tatsächlich in der vermuteten Weise beeinflussen.

Stabil fliegen

Als Studienobjekt hat Aegerter dazu die Taufliege Drosophila melanogaster ausgewählt. Dieses Tier hat den Vorteil, sich schnell zu entwickeln, es lässt sich unkompliziert halten, und die Biologen betreiben seit hundert Jahren Genetik mit dieser Fliege. Was immer der Physiker an Spezialitäten benötigt: Die Biologen können ihm die entsprechende Zuchtlinie zur Verfügung stellen.

Aegerter hat sich entschieden, die Imaginalscheiben der Fliege genauer unter die Lupe zu nehmen. Diese wachsen während des Lavenstadiums der Fliege; aus ihnen entstehen später die Flügel. Das Wachstum der Imaginalscheiben ist ein kritischer Vorgang, müssen die späteren Flügel doch genau die richtige Grösse haben, damit die Fliege stabil fliegen kann.

Bereits seit längerem weiss man, dass das Wachstum der Imaginalscheiben durch Wachstumsfaktoren gesteuert wird. Fehlen diese Moleküle, bildet die Drosophila keine Flügel. Stehen sie hingegen im Übermass zur Verfügung, entsteht eine Fliege mit viel zu grossen Flügeln. Das Problem ist nun, dass die Wachstumsfaktoren in der Imaginalscheibe nicht gleichmässig verteilt sind, sondern dass deren Konzentration vom Zentrum her nach aussen hin abnimmt. Doch das Wachstum der Imaginalscheiben findet nun eben nicht primär im Zentrum statt, wie man das auf Grund der Verteilung der Wachstumsfaktoren erwarten sollte, sondern überall etwa gleichmässig.

Für diesen scheinbaren Widerspruch gibt es eine Erklärung: Die Zellteilung wird von den Wachstumsfaktoren zwar angeregt; doch sie wird gleichzeitig auch von physikalischen Kräften eingeschränkt. Mit Hilfe von Modellrechnungen kann man zeigen, dass die Zellen im Zentrum der Imaginalscheibe zusammengedrückt werden, wenn laufend neue Zellen gebildet werden. Am Rand hingegen werden die bestehenden Zellen gedehnt, wenn sich immer neue Zellen bilden.

Aegerter vermutet nun, dass sich die Zellen nicht nur dort teilen, wo die Wachstumsfaktoren in hoher Konzentration vorliegen, sondern auch dort, wo die Zellen wegen der Dehnung geringeren Gegenkräften ausgesetzt sind. Schliesslich werden im Zentrum die Zellen so stark zusammengedrückt, dass trotz den reichlich vorhandenen Wachstumsfaktoren keine neuen Zellen mehr entstehen. Lässt man im Modell nach diesem Muster eine virtuelle Imaginalscheibe wachsen, entsteht ein Organ, das mehr oder weniger homogen gewachsen ist und genau die richtige Grösse hat.

Innen Kompression, aussen Dehnung

Stimmt die These, spielt die Kräfteverteilung in der wachsenden Imaginalscheibe eine zentrale Rolle. Christof Aegerter hat zwei Wege gefunden, um diese Kräfteverteilung experimentell zu messen. Beim ersten Ansatz haben seine Mitarbeiter die Form der Zellen in verschiedenen Entwicklungsstadien angeschaut. Anhand der Form und der Grösse konnten sie ermitteln, welchen Kräften die einzelnen Zellen im Laufe des Wachstums ausgesetzt sind. Tatsächlich bestätigen die Messungen, dass bei einer wachsenden Imaginalscheibe die Zellen im Zentrum komprimiert werden, an den Rändern jedoch gedehnt.

Allerdings beruht dieser Ansatz auf einer Annahme, nämlich dass das Material der wachsenden Imaginalscheibe mehr oder weniger homogene elatische Eigenschaften hat. Aegerter hat deshalb noch einen zweiten Ansatz entwickelt, um die These zu prüfen. Dabei macht er sich das Prinzip zunutze, dass sich eine ungleichmässige Kräfteverteilung in den optischen Eigenschaften niederschlagen sollte. Dank raffinierter Technik gelang es, die Kräfteunterschiede in der wachsenden Scheibe sichtbar zu machen. Die ersten Resultate bestätigen die Befunde der ersten Experimente: In jungen Imaginalscheiben sind die Kräfte mehr oder weniger gleichförmig verteilt, in reiferen hingegen ist die Belastung im Zentrum viel grösser als am Rand.

Damit, hält Christof Aegerter sogleich fest, sei man allerdings noch nicht wirklich am Ziel angelangt. Denn es könnte trotzdem sein, dass nicht physikalische Kräfte das Wachstum bremsen, sondern letztlich doch der genetische Code.

Durch trübe Hülle blicken

Aegerter will deshalb noch einen Schritt weitergehen: Er will die Zellteilung und die Kräfteverteilung gleichzeitig am lebenden Objekt messen – ein Vorhaben, das sehr anspruchsvoll ist. Aegerter hat sich deshalb entschlossen, methodisches Neuland zu betreten. Er will dem Wachstum der Organe von aussen her zusehen, indem er die milchig weisse Aussenhülle, die den direkten Blick ins Innere der Raupe verhindert, mit raffinierter Optik überlistet. Dazu schickt er phasenversetztes Laserlicht auf die Raupe. In der trüben Hülle wird dieses Licht mehrfach reflektiert, und wenn die Lichtquellen aussen geschickt positioniert werden, entsteht im Inneren durch Interferenz ein fokussierter Lichtpunkt.

Werden die Zellen in den Imaginalscheiben nun so präpariert, dass sie eine fluoreszierende Substanz enthalten, werden sie durch den fokussierten Lichtpunkt zum Leuchten angeregt. Rotiert man die äussere Lichtquelle verschiebt sich nach und nach der fokussierte Lichtpunkt. So kann das Objekt mit einer Auflösung von etwa 200 Nanometern abgescannt werden.

Sollte es gelingen, die Vorgänge in einem lebenden Organismus auf diese Weise zu untersuchen, hätte Christof Aegerter ein interessantes Verfahren in der Hand, um auch andere biologische Objekte zu untersuchen. «Es gibt viele Organismen, die in eine weisse Hülle eingewickelt sind und denen man gerne beim Wachsen zusehen würde», erklärt er. «Wenn wir ein Instrument hätten, um in diese Hüllen hineinzusehen, könnten wir viele spannende Fragen angehen.»

Felix Würsten ist Journalist in Zürich.

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