Der 3D-Drucker der Natur: Borstenwürmer bilden Borsten Stück für Stück

Eine neue interdisziplinäre Studie der Gruppe um den Molekularbiologen Florian Raible von den Max Perutz Labs an der Universität Wien gibt spannende Einblicke in die Borsten des Meeresringelwurms Platynereis dumerilii. Spezialisierte Zellen, so genannte Chaetoblasten, steuern die Entstehung der Borsten. Ihre Arbeitsweise ähnelt verblüffend der eines technischen 3D-Druckers. Das Projekt ist eine Zusammenarbeit mit Forscher*innen der Universität Helsinki, der Technischen Universität Wien und der Masaryk-Universität Brünn. Die Studie wurde aktuell im renommierten Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Chitin ist das primäre Baumaterial sowohl für das Außenskelett der Insekten, als auch für die Borsten von Borstenwürmern wie dem Meeresringelwurm Platynereis dumerilii. Die Borstenwürmer besitzen allerdings ein etwas weicheres Chitin – das sogenannte Beta-Chitin – das für biomedizinische Anwendungen besonders interessant ist. Durch die Borsten können die Würmer sich im Wasser fortbewegen. Wie sich das Chitin zu den Borsten formt, stellte Forscher*innen bisher aber noch vor Rätsel. Die neue Studie gibt nun spannenden Einblick in diese besondere Biogenese. Florian Raible erklärt: "Der Prozess beginnt bei der Borstenspitze, gefolgt vom Mittelteil und schließlich der Basis der Borsten. Dabei werden die fertigen Teile immer weiter aus dem Körper herausgeschoben. Bei diesem Entstehungsprozess werden also Stück für Stück die wichtigen Funktionseinheiten hintereinander erzeugt, das ähnelt einem 3D-Druck."

Ein genaueres Verständnis für Prozesse wie diesen birgt auch Potenzial für die Entwicklung medizinischer Produkte der Zukunft oder für die Herstellung natürlich abbaubarer Materialen. Beta-Chitin aus der Rückenschale von Tintenfischen dient zum Beispiel momentan als Rohstoff für die Herstellung besonders verträglicher Wundverbände. "Vielleicht lassen sich in der Zukunft auch Ringelwurmzellen für die Herstellung dieses Materials nutzen", so Raible.  

Der genaue biologische Hintergrund dazu: Sogenannte Chaetoblasten spielen bei diesem Prozess eine zentrale Rolle. Chaetoblasten sind spezialisierte Zellen mit langen Oberflächenstrukturen, den sogenannten Mikrovilli. Diese Mikrovilli wiederum beherbergen ein spezifisches Enzym, das für die Entstehung von Chitin verantwortlich ist, Chitin wiederum ist eben das Material aus dem schließlich die Borsten sind. Die Ergebnisse der Forscher*innen zeigen eine dynamische Zelloberfläche, die durch geometrisch angeordnete Mikrovilli gekennzeichnet ist. 

Die einzelnen Mikrovilli haben dabei eine ähnliche Funktion wie die Spritzdüsen eines 3D-Druckers. Florian Raible führt aus: "Unsere Analyse legt nahe, dass das Chitin von den einzelnen Mikrovilli der Chaetoblasten-Zelle ausgestoßen wird. Die präzise Änderung der Zahl und Form dieser Mikrovilli über die Zeit ist damit der Schlüssel für die Ausformung der geometrischen Strukturen der einzelnen Borste, wie etwa einzelner Zähnchen auf der Borstenspitze, die in ihrer Präzision bis unter den Mikrometer-Bereich reichen." Die Borsten entstehen in der Regel innerhalb von nur zwei Tagen und können unterschiedliche Formen haben, je nach Entwicklungsstadium des Wurms sind sie kürzer oder länger, spitzer oder flacher.

Neben der lokalen Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien und Bildgebungsspezialist*innen der Universität Brünn erwies sich die Kooperation mit dem Jokitalo-Labor der Universität Helsinki als großer Gewinn für die Forscher*innen der Universität Wien. Mit ihrer Expertise in der seriellen Block-Face-Rasterelektronenmikroskopie (SBF-SEM) untersuchten die Forscher*innen die Anordnung der Mikrovilli im Prozess der Borstenentstehung und schlugen auf Grundlage dessen ein 3D-Modell für die Synthese der Borstenentstehung vor. Erstautor Kyojiro Ikeda von der Universität Wien erklärt: "Die Standard-Elektronentomographie ist sehr arbeitsintensiv, da das Schneiden der Proben und ihre Untersuchung im Elektronenmikroskop händisch gemacht werden muss. Mit diesem Ansatz können wir die Analyse von Tausenden von Schichten jedoch zuverlässig automatisieren." 

Die Raible-Gruppe arbeitet derzeit an einer verbesserten Auflösung der Beobachtung, um noch mehr Details zur Borstenbiogenese ans Licht zu bringen. 

Originalpublikation: 

Kyojiro N Ikeda, Ilya Belevich, Luis Zelaya-Lainez, Lukas Orel, Josef Füssl, Jaromír Gumulec, Christian Hellmich, Eija Jokitalo, and Florian Raible. Dynamic microvilli sculpt bristles at nanometric scale, Nature Communications (2024)
DOI: 10.1038/s41467-024-48044-3

Abbildungen: 

Abb. 1: Larve des Meeresringelwurms Platynereis dumerilii, Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (Größenmaßstab: 100µm), C: Luis Zelaya-Lainez, Technische Universität Wien

Abb. 2. Vergleich zwischen "biologischem" (links) und "technologischem" 3D-Druck (rechts). C: Claudia Amort, Studio Amort

Abb. 3: Verschiedene Segmente der Borsten des Meeresringelwurms Platynereis dumerilii. 3D-Rekonstruktion aus mehr als 1000 elektronenmikroskopischen Aufnahmen. Klinge (links), Klinge mit Gelenk (Mitte), Schaft (rechts). C: Ilya Belevich, Universität Helsinki

Abb. 4: Erstautor Kyojiro Ikeda und Studienleiter Florian Raible (v.l.n.r.). C: Max Perutz Labs

Über das Raible-Labor

https://www.maxperutzlabs.ac.at/research/research-groups/raibleDas Raible-Labor in den Max-Perutz-Labors kombiniert molekulares Profiling, funktionelle Experimente, multimodale Bildgebung, zelluläres Profiling, physiologische Experimente sowie Verhaltensanalysen, um die Erforschung der molekularen Orchestrierung von Regeneration, Reproduktion und Metamorphose voranzutreiben und die natürliche Herstellung von Biomateralien zu erforschen. Das Modellsystem der Gruppe ist Platynereis dumerilii, ein Meeresringelwurm, der einen einzigartigen Wert für die Untersuchung dieser Prozesse hat, da er seinen Lebenszyklus komplett unter Laborbedingungen vollenden kann.

Über die Max Perutz Labs 

Die Max Perutz Labs sind ein Joint Venture der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien. Das Institut betreibt herausragende, international anerkannte Forschung und Lehre auf dem Gebiet der Molekularbiologie. Wissenschafter*innen der Max Perutz Labs erforschen grundlegende, mechanistische Prozesse in der Biomedizin und verbinden innovative Grundlagenforschung mit medizinisch relevanten Fragestellungen.

Die Max Perutz Labs sind Teil des Vienna BioCenter, einem führenden Hotspot der Lebenswissenschaften in Europa. Am Institut sind mehr als 40 Forschungsgruppen mit rund 400 Mitarbeiter:innen aus mehr als 50 Nationen tätig.