Wie physikalische Kräfte einem Körper helfen, seine Form zu finden: Regeneration in Hydra

Lebende Organismen sind ständig physikalischen Kräften ausgesetzt. Zellen ziehen aneinander, Gewebe dehnen sich und entspannen sich, und ganze Körper verändern ihre Form, während sie wachsen oder heilen. Während Gene und chemische Signale häufig als die Haupttreiber der Entwicklung angesehen werden, sind diese physikalischen Kräfte stets im Hintergrund präsent. Eine zentrale Herausforderung der Biophysik besteht darin zu verstehen, wie physikalische Kräfte an der Organisation und Formgebung lebender Organismen beteiligt sind.

Regeneration bietet einen idealen Rahmen, um dieser Frage nachzugehen. Manche Tierarten können ihren Körperbau regenerieren. Wenn ein solches Tier einen Teil seines Körpers verliert, muss sich das verbleibende Gewebe neu organisieren, erkennen, was fehlt, und eine funktionelle Struktur an der richtigen Stelle wiederaufbauen. Entscheidend ist dabei, dass Regeneration zugleich robust und flexibel sein muss, um unter sehr unterschiedlichen Bedingungen zu funktionieren.

Der Süßwasserpolyp Hydra ist ein klassischer Modellorganismus zur Untersuchung der Regeneration. Der Körperbau von Hydra ist sehr einfach und besteht aus einem Kopf und einem Fuß entlang der Hauptkörperachse (Abb. 1 links). Selbst ein kleines Gewebefragment, das aus einer adulten Hydra herausgeschnitten wird, kann zu einem vollständigen Tier mit einer klar ausgeprägten Kopf-Fuß-Achse regenerieren (Abb. 1 rechts). Frühere Studien haben chemische Signalwege identifiziert, die mit der Kopfregeneration sowie mit der Etablierung der Körperpolarität entlang der Kopf-Fuß-Achse in Verbindung stehen. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen des Technion in Haifa konnten wir zeigen, dass regenerierendes Hydra-Gewebe zudem ausgeprägte Formveränderungen, rhythmische Kontraktionen und großskalige Bewegungen durchläuft [1]. Diese Beobachtungen legen nahe, dass Regeneration nicht nur ein biochemischer, sondern auch ein mechanischer Prozess ist.

Mechanische Muster im regenerierenden Gewebe

Hydra-Gewebe ist mechanisch aktiv. Um Kräfte zu erzeugen, enthalten Hydra-Zellen Fasern basierend auf einem Protein namens Aktin, die sich bei Aktivierung zusammenziehen. Gemeinsam bilden diese Fasern großskalige Muster im Gewebe, ähnlich denen, die man von Flüssigkristallen kennt (Abb. 1 links). Diese Muster sind weitgehend geordnet, mit Ausnahme einiger besonderer Strukturen, sogenannter topologischer Defekte, an denen die Ausrichtung uneindeutig ist [2].

Unsere Kollegen haben das regenerierende Gewebe unter dem Mikroskop beobachtet und die Verformung über die Zeit gemessen. Dabei fanden wir heraus, dass diese Defektstellen eine zentrale Rolle spielen, wobei eine dieser Stellen mit der Position zusammenfällt, an welcher der Kopf regenerieren wird. Die mechanische Aktivität der Aktinfasern erzeugt zudem eine besondere mechanische Umgebung an der zukünftigen Kopfposition, an der die mechanische Verformung des Gewebes stark fokussiert ist [1]. Mit anderen Worten: Lange bevor der Kopf tatsächlich regeneriert, „weiß“ das Gewebe aufgrund seines internen mechanischen Zustands bereits, wo er entstehen wird.

Dieses Ergebnis deutet auf eine konkrete Verbindung zwischen Mechanik und Chemie hin. Starke mechanische Verformung ist dafür bekannt, das Verhalten von Zellen zu beeinflussen; insbesondere kann sie biochemische Signalprozesse auslösen und die Proteinexpression fördern. Unsere Arbeiten erklären die experimentellen Beobachtungen und die besondere Rolle mechanischer Verformungen bei der Hydra-Regeneration mithilfe eines Modells, in dem sich Regeneration als ein mechano-chemischer Rückkopplungsprozess entfaltet: Mechanische Kräfte induzieren biochemische Signale, und umgekehrt richten biochemische Signale die aktiven Muster der Aktinfasern aus (Abb. 2 links).

Test der Rolle von Mechanik durch räumliche Einengung

Wenn interne mechanische Muster die Regeneration steuern, was geschieht dann, wenn diese Muster von außen verändert werden? Um diese Frage zu beantworten, untersuchten wir, wie Hydra in einem engen Kanal regeneriert, der eine physikalische Randbedingung darstellt und begrenzt, wie stark sich das Gewebe verformen und bewegen kann.

Unter diesen Bedingungen wurden im Experiment die üblichen Muster der Gewebeverformung innerhalb des Gewebes umverteilt. Infolgedessen veränderte sich der Prozess der Organisation des Körperbauplans. Bemerkenswerterweise führte eine solche räumliche Einschränkung zur Bildung mehrerer Köpfe, was den Einfluss physikalischer Kräfte auf den Regenerationsprozess verdeutlicht [3]. Diese Beobachtungen können durch unser mechano-chemisches Rückkopplungsmodell reproduziert werden, wie Computersimulationen von regenerierendem Hydra-Gewebe in einem Kanal zeigen (Abb. 2 rechts).

Von der Beobachtung zum Prinzip

Zusammengenommen zeigen unsere Arbeiten, dass regenerierendes Hydra-Gewebe spontan mechanische Muster erzeugt, wobei sich mechanische Verformungen an topologischen Defekten konzentrieren, die vorhersagen, wo zentrale Strukturen wie der Kopf entstehen werden. Wird die mechanische Umgebung durch räumliche Einschränkung verändert, verläuft die Regeneration entlang eines anderen Pfades, und es können sogar mehrere Köpfe in einem einzelnen Tier entstehen.

Eine zentrale Aussage unserer Arbeit ist, dass mechanische Verformungen nicht lediglich ein Endprodukt der Regeneration sind, sondern aktiv am Selbstorganisationsprozess beteiligt sind, der der Wiederherstellung des Körperbauplans zugrunde liegt. Allgemeiner weisen unsere Ergebnisse auf ein grundlegendes Prinzip hin: Robuste Regeneration entsteht aus einer wechselseitigen Kopplung zwischen physikalischen Kräften und biochemischer Signalgebung. Diese Perspektive hilft zu erklären, wie regenerierende Organismen trotz variabler Anfangsbedingungen und äußerer Störungen eine zuverlässige großskalige Organisation erreichen.

Literaturhinweise