Öltröpfchen verwandeln sich wie lebende Zellen

Mikroskopische Öltröpfchen in Wasser können komplexe Formen annehmen und Material aus ihrer Umgebung einschließen – ein Verhalten, das man bislang lebenden Zellen zuschrieb. Forscher der New York University (NYU) haben gezeigt, dass sich diese zellähnlichen Prozesse allein durch Physik und Chemie erzeugen lassen, ohne Gene, Proteine oder aktive zelluläre Maschinerie. Die Ergebnisse, veröffentlicht im Fachjournal Nature Communications, deuten darauf hin, dass einige der charakteristischen Verhaltensweisen des Lebens aus einfachen Grundbausteinen entstehen können. Nötig seien lediglich Öl, Wasser und seifenartige Moleküle, so das Team.

Wie aus Kugeln Blüten und Becher werden

Der Chemieprofessor Stefano Sacanna und seine Kollegen kombinierten winzige, in Wasser schwebende Öltröpfchen mit einem seifenartigen Molekül, dem sogenannten P123-Blockcopolymer. Sobald dieses den kugelförmigen Tröpfchen zugesetzt wird, verwandeln sich diese spontan in eine ganze Reihe von Formen: blütenähnliche Strukturen, verzweigte, an dendritische Immunzellen erinnernde Gebilde, Hanteln, Scheiben und Becher.

Bemerkenswert ist, dass sich dieser Prozess steuern und – anders als bei den Zellen fast aller Lebewesen – umkehren lässt. Durch Veränderung der Konzentration des Seifenmoleküls oder schlichtes Erwärmen und Abkühlen der Probe konnten die Forscher die Tröpfchen von einer Form in die andere und wieder zurück lenken.

„Was uns überrascht hat, ist, dass man diese zelluläre Maschinerie gar nicht braucht, um dieselben Verhaltensweisen zu bekommen“, sagte Sacanna, Mitautor der Studie.

Tröpfchen, die ihre Umgebung „trinken“

Unter den richtigen Bedingungen faltet sich ein Tröpfchen in sich selbst, umschließt die umgebende Flüssigkeit und fängt ein, was in der Nähe schwebt. Dieses Verhalten ähnelt einem zellulären Vorgang namens Makropinozytose, gelegentlich als „Zelltrinken“ beschrieben, bei dem eine Zelle einen Teil ihrer Umgebung verschlingt.

„Unsere Tröpfchen tun dies von selbst, ohne jedes biologische Bauteil“, sagte Florent Fessler, Postdoktorand an der NYU und Erstautor der Studie.

Ein Modell, um Zellprozesse zu verstehen

Die Forscher betonen, dass sie weder die Biochemie von Zellen nachbilden noch künstliches Leben erschaffen. Ihre Entdeckung liefert vielmehr ein Modellsystem, um zu untersuchen, wie Zellen ihre Strukturen formen. Zum Verständnis: In lebenden Zellen sind solche Formveränderungen extrem schwer isoliert zu beobachten, weil sie mit einer Fülle biochemischer Prozesse verwoben sind. Ein rein physikalisches Nachbaumodell erlaubt es, die zugrunde liegenden Prinzipien in kontrollierter Umgebung zu studieren.

„Diese Veränderungen sind in lebenden Zellen nur schwer zu isolieren, deshalb bietet ein Modellsystem eine einfachere, besser kontrollierte Plattform, um die physikalischen Prinzipien hinter zellulärem Verhalten zu untersuchen“, sagte Paul Chaikin, Physikprofessor an der NYU und Mitautor der Studie.

Mögliche Anwendungen für intelligente Materialien

Über die Grundlagenforschung hinaus könnten die Erkenntnisse die Entwicklung intelligenter, anpassungsfähiger Materialien voranbringen – Werkstoffe also, die sich in Reaktion auf ihre Umgebung umformen oder bei Bedarf Fracht aufnehmen. Für die Praxis würde dies bedeuten, dass sich winzige Behälter gezielt bilden lassen, um empfindliche Substanzen zu schützen oder zu transportieren.

„Unter den richtigen Bedingungen können sich diese Tröpfchen umstrukturieren und einschließen, was um sie herum ist, und dabei eine schützende Kapsel oder Hülle bilden“, sagte Sacanna. „Weil diese Formveränderung unspezifisch und sehr vielseitig ist, könnte sie viele mögliche Anwendungen haben.“

Was halten Sie davon, dass sich zentrale Merkmale des Lebens allein aus Physik und Chemie nachbilden lassen? Sehen Sie darin eher Chancen für neue Materialien oder faszinierende Grundlagenforschung? Teilen Sie Ihre Sicht in den Kommentaren.