Gesundheit: Deutsche Physikertagung in Hamburg: Ein Motor für Spermien und kleinere Flitzer

Physiker haben den Biologen manches voraus. Sie haben zum Beispiel die schärferen Augen, denn sie basteln sich Linsen und Mikroskope selbst. Außerdem haben sie gelernt, ihren Blick vom einzelnen Atom aus dem Verständnis großer Ensembles solcher Partikel zu öffnen. In der Biologie dagegen fährt der Zug noch Volldampf in die entgegengesetzte Richtung. Dem Zusammenspiel vieler Gene oder Proteine stehen Biologen bislang denn auch ohne theoretische Konzepte gegenüber.

Frank Jülicher vom Institut Curie in Paris gehört zu jenen jungen Physikern, die von Physik sprechen und sich gleichzeitig erfolgreich in die Zellbiologie einmischen. Er wirft sein mitunter fluoreszierendes Auge auf jene Proteine, also Eiweiße, die innerhalb der Zelle darauf spezialisiert sind, chemische Energie in mechanische umzuwandeln und so Bewegung zu erzeugen.

"Die Bewegung der molekularen Motoren kann man in einem Experiment direkt sichtbar machen", sagte Jülicher in Hamburg. Er zeigte eine kurze Videoaufzeichnung, in der das Motorprotein Kinesin auf Wanderschaft zu sehen ist. Für eine solche Visualisierung heften die Forscher den nur wenige hunderttausendstel Millimeter großen Proteinen kleine Kügelchen an. In Einzelmolekülexperimenten verfolgen sie dann, wie sich die Kinesin-Moleküle entlang zylindrischer Röhrchen, der Mikrotubuli, mit Geschwindigkeiten von einem tausendstel Millimeter pro Sekunde fortbewegen.

Derartige molekulare Motoren sind überall in Zellen zu finden. Sie transportieren Stoffe oder arbeiten in großer Zahl zusammen, um unsere Muskeln zu bewegen. Die Energie erhalten sie aus der chemischen Spaltung von Adenosintriphosphat-Molekülen. "Viele Motoren können an eine gemeinsame Struktur gekoppelt sein", sagte Jülicher. Sie erzeugen gemeinsam eine Kraft.

Beispiele dafür sind neben Kinesin- auch Myosin-Moleküle. Sie bewegen sich entlang einer Ratsche: einem Strang mit aufeinander folgenden, sägezahnartigen Einschnitten. Die Myosin-Moleküle sind kleine Hebel, die sich nach Energiezufuhr in diese Sägezähne vorschieben und so zu einer gemeinsamen, gerichteten Bewegung entlang der Ratsche finden können. Diese konzertierte Aktion haben Forscher allerdings erst in ihren Grundzügen verstanden.

Auch die Bewegung der Spermien wird von solchen Linearmotoren angetrieben. Allerdings würden hier die inneren Verschiebungen unterdrückt, weil die benachbarten Stränge rigide miteinander gekoppelt seien, erläuterte Jülicher. Als Folge der inneren Kräfte verbiegen sich die Spermatozyten deshalb als Ganzes: Vom Spermakopf ausgehend laufen Biegewellen zum Schwanz, das Spermium schwimmt.

Zuletzt machte Jülicher deutlich, dass molekulare Motoren wohl auch an der Schallwahrnehmung der etwa 16 000 Haarzellen im Innenohr teilhaben. Jede dieser Zellen ist in einem bestimmten Frequenzbereich empfindlich. Die Haarzellen sind in der Lage, den gesamten Zellkörper zusammenzuziehen. Dass wir so viele, sehr unterschiedliche Frequenzen hören können, scheint unter anderem daran zu liegen, dass bereits sehr kleine Deformationen des Zellkörpers den Schalldruck stark verändern. "Und das Ohr nimmt nicht nur Schall auf, es sendet auch Schall aus." Die aktiven Elemente im Ohr seien aber noch weitgehend unbekannt.

tdp