Während das Innere von Bakterien einer riesigen Fabrikhalle ähnelt, in der alle biologischen Prozesse stattfinden, sind Zellen von Pilzen, Pflanzen und Tieren in verschiedene Spezialwerkstätten aufgeteilt: In voneinander abgetrennten Räumen – Organellen genannt – laufen unterschiedliche Arbeitsvorgänge ab. Das bringe Vorteile, sagt die Zellbiologin Anne Spang vom Biozentrum der Universität Basel: «Bestimmte Prozesse können dadurch separat voneinander ablaufen und kommen sich gegenseitig nicht in die Quere.»
Ein Blick durchs Mikroskop zeigt, dass trotz der Abgrenzung ein reger Verkehr zwischen den verschiedenen Abteilungen in der Zelle herrscht: Ständig schnüren sich kleine Bläschen von den Membranen ab, wandern durch das Zellinnere und verschmelzen mit einem anderen Kompartiment oder der äusseren Membran. Solche Bläschen schleusen beispielsweise Eiweisse nach ihrer Produktion an ihren Funktionsort.
«Lange Zeit hat sich die Zellbiologie auf diese linearen Transportvorgänge konzentriert», so Spang. «Jetzt stellt sich heraus, dass alles viel dynamischer ist.» So kommt es beispielsweise zwischen Vesikeln und verschiedenen Organellen immer wieder zu ultrakurzen Berührungen, bei denen Eiweisse zwischen den Kompartimenten ausgetauscht werden. Von den Forschenden wird dieser Prozess als «Kiss and Run» bezeichnet.

Eine wichtige Voraussetzung für den Sprung vom Einzeller zum mehrzelligen Lebewesen war, dass Zellen zusammenhaften, um ein zusammenhängendes und stabiles Gewebe zu bilden. Eine zentrale Rolle für die Widerstandskraft von menschlichen Geweben spielen sogenannte Desmosomen, die wie Klettverschlüsse zwischen den Zellen wirken.
«Desmosomen haben sich wahrscheinlich erst sehr spät, beim Übergang des Lebens vom Wasser zum Land, entwickelt», sagt der Anatom Volker Spindler vom Departement Biomedizin der Universität Basel. «Sie verleihen stark beanspruchtem Gewebe wie etwa der Haut eine besonders hohe Stabilität.» Was passiert, wenn diese Stabilität wegfällt, zeigt beispielsweise die Pemphigus-Erkrankung: Die Haut von Betroffenen wirft unzählige Blasen und löst sich ab. Die Immunzellen des Körpers greifen nämlich die Desmosomen an – und benachbarte Hautzellen verlieren die Haftung aneinander.
Mit seiner Arbeitsgruppe erforscht Spindler deshalb die Funktionsweise der Desmosomen, um den Weg für Therapien zu bahnen. Neben Pemphigus untersucht sein Team auch die Mechanismen hinter einer oft tödlich verlaufenden Herzkrankheit, der arrhythmogenen Kardiomyopathie. Auch hier sind defekte Desmosomen der Auslöser, wie Spindlers Team zeigen konnte. «Ohne den Zusammenhalt durch Desmosomen ist der Herzmuskel der starken mechanischen Belastung einfach nicht gewachsen.»

Wirkstoffe gelangen im Körper besser ans Ziel und bleiben stabiler, wenn sie in eine schützende Hülle verpackt sind. Solche Minicontainer entwickeln Forschende heute nach dem Vorbild der Natur: Zellen verwenden Membranbläschen beispielsweise in ihrem Inneren zum Transport.
Cornelia Palivan und ihr Team am Departement Chemie bauen solche Vesikel nach und verleihen ihnen nützliche Eigenschaften: Durch den Einsatz von spezifischen Polymeren konnten sie Membranbläschen so optimieren, dass sie stabiler sind und nicht verklumpen – und somit noch besser als schützende Hülle für Wirkstoffe dienen können. Eine Version der Vesikel ist so beschaffen, dass sie ihre Fracht durch Veränderung des pH-Wertes der Umgebung «auf Kommando» freigeben. Hilfreich ist das beispielsweise für künftige Krebstherapien, da das direkt benachbarte Gewebe eines Tumors einen geringeren pH-Wert aufweist als gesundes Gewebe. Ein weiterer Ansatz besteht darin, mehrere Miniaturcontainer mit unterschiedlichen Enzymen darin quasi als «Mini-Fabrik» miteinander zu koppeln, sodass sich damit natürliche Reaktionskaskaden vereinfacht nachahmen und besser verstehen lassen.
(Text: Angelika Jacobs)