Zuerst werden die Zellen von einer mechanischen Welle erfasst, die sie nur ein wenig vor- und zurückbewegt. Dann folgt eine Welle chemischer Signale. Aus dem Zeitunterschied zwischen den beiden Wellen können die Zellen die Richtung zur Wunde erkennen und bewegen sich dort hin, erklärt ein Team um Edouard Hannezo vom Institute of Science and Technology (IST) Austria in Klosterneuburg im Fachjournal „Nature Physics“.
Richtung ist mechanisch und chemisch codiert
Die Forscher und Forscherinnen erstellten ein mathematisches Modell, um zu klären, was in einer Schicht von Zellen, so wie etwa bei einer Hautschicht, passiert, wenn es in ihrer Umgebung zu einer Verletzung kommt. Solche Zellen können ein Drücken und Ziehen von Nachbarzellen wahrnehmen und reagieren auf Veränderungen durch Änderung der Aktivitäten ihrer Eiweißstoffe (Proteine).
„Das Zusammenspiel von Zellbewegung, Wahrnehmung der Umgebung und Eiweißstoff-Aktivierung in den Zellen führt zu gekoppelten mechanischen und chemischen Wellen, in denen die Information über ihre Richtung kodiert ist“, so die Forscher in einer Aussendung.
Die mechanische Welle drückt die Zellen in manchen Bereichen dichter aneinander, in anderen Bereichen sind sie weniger nahe beisammen. Durch diese Welle werden Zellen von ihren Nachbarn geschoben und gezogen und bewegen sich hin und her, ohne sich insgesamt fortzubewegen.
Proteine steuern Geschwindigkeit
„Eine Zelle hat bei der Dichtewelle keine Möglichkeit, die Richtung zu erkennen, aus der die Welle kommt, und daher auch keine Information über den Ort einer Wunde“, so die Forscherinnen und Forscher. Zeitversetzt werden die Zellen aber von einer zweiten, chemischen Welle erfasst, in der ihre Eiweißstoffe aktiviert werden. „Sie trifft die Zelle etwas nach der Dichtewelle aufgrund der Verzögerung, welche die Proteine zur Aktivierung brauchen.“
Die Proteinaktivität steuert die Geschwindigkeit, mit der sich die Zellen bewegen: Schnell, wenn sie in Richtung der Wunde gezogen werden, und langsam, wenn sie weggeschoben werden. Dadurch bewegen sie sich insgesamt auf die Wunde zu. Die beiden Wellen verstärken einander: Die chemische Welle in Form von Protein-Aktivierung wird durch Zellbewegung und mechanische Rückkoppelung auf Touren gebracht. Die chemischen Prozesse in den Zellen verändern wiederum die Zellform und treiben die Bewegung an.
Experimente entsprechen Computermodell
Das Ganze passiert nicht nur im Modell im Computer, sondern auch bei echten Zellen, so die Forscher. Sie statteten Zellen mit einem Eiweißstoff aus, der bei der Aktivierung aufleuchtet und konnten so die Wellen der Proteinaktivierung sichtbar machen, die sich in der Zellschicht ausbreiteten. Die im Computermodell vorhergesagten Wellenmuster waren auch im Experiment zu beobachten.
„Besonders auffallend war, dass die Verzögerung zwischen den beiden Wellen nahe am theoretisch vorhergesagten Optimum lag, das den Zellen erlaubt, aus den Wellen ein Maximum an Informationen zu gewinnen“, erklären die Forscherinnen und Forscher.