#Wie Klebrigkeit Bösewichte verraten kann

Um Erreger oder Krebszellen zu erkennen, benutzt die Körperpolizei ihre Antigen-Rezeptoren offenbar wie klebrige Finger: Forscher haben durch raffinierte Experimente die winzige Zugkraft erfasst, die bei der Fahndung wahrscheinlich als Indiz dient. Bei der Bindung zwischen dem Rezeptor einer T-Zelle und dem passenden Antigen ist demnach eine Zugkraft von etwa fünf Piko-Newton für eine Trennung nötig. Wenn die T-Zelle diese Klebrigkeit wahrnimmt, leitet sie Immunreaktionen ein, so das Erklärungsmodell.

Ohne Ordnungskräfte wäre in unserem Körper schnell die Hölle los: Erreger und Krebszellen müssen durch das Immunsystem ständig in Schach gehalten werden, denn sonst drohen Krankheit und Tod. Eine zentrale Rolle spielen dabei die T-Zellen: Mithilfe sogenannter T-Zell-Rezeptoren auf ihrer Oberfläche können sie gefährliche Eindringlinge sowie entartete oder infizierte Zellen im Körper erkennen, woraufhin sie Immunreaktionen auslösen, die zur Eliminierung führen. Grundlegend ist bekannt, dass sie die „Bösewichte“ dabei an speziellen Oberflächenmerkmalen erkennen: Sogenannte Antigene lösen die Reaktion aus.

„Jede T-Zelle kann ein bestimmtes Antigen besonders gut erkennen. Dafür hat sie an ihrer Oberfläche rund 100.000 gleichartige T-Zell-Rezeptoren“, erklärt Johannes Huppa von der Medizinischen Universität Wien. Die Erkennung der Antigene basiert dabei auf dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: „Für jedes Antigen muss der Körper T-Zellen mit passenden T-Zell-Rezeptoren produzieren. Vereinfacht gesagt, erkennt jede T-Zelle nur ein bestimmtes Antigen, um dann in der Folge eine Immunreaktion zu veranlassen“, sagt Huppa. Allerdings gibt es noch immer viele offene Fragen dazu, welche molekularen Abläufe dem Erkennungsprozess zugrunde liegen. Man nimmt an, dass dabei neben biochemischen auch mechanische Prozesse eine Rolle spielen. Vermutlich dient die Bindungsstärke zwischen Antigen und Rezeptor der T-Zelle dabei als eine zusätzliche Informationsquelle.

Spinnenseiden-Protein als Messinstrument

Doch wie stark könnte diese Bindungsstärke sein? Dieser Frage sind Huppa und seine Kollegen nun experimentell nachgegangen. „Den Prozess kann man tatsächlich messen, und zwar auf der Ebene einzelner Moleküle“, sagt Erstautorin Janett Göhring von der Technischen Universität Wien. Sie und ihre Kollegen nutzten dazu ein Protein aus Spinnenseide, welches sich fast wie eine perfekte Nano-Feder verhält: Je mehr Zugkraft ausgeübt wird, desto länger wird das Protein und eignet sich deshalb als ein Messinstrument. Bei den Experimenten verbanden die Forschenden eine Unterlage über diese Nano-Feder mit einem Antigen. Daran ließen die Forscher T-Zellen mit dem entsprechenden Rezeptor binden.

Mithilfe fluoreszierender Marker-Moleküle stellten sie dann fest, wie stark sich die Länge des Proteins änderte, wenn sich die T-Zelle wieder löste und es zu einem Abriss der Verbindung kam. So konnte das Team auch auf die auftretenden Kräfte rückschließen: Für die Trennung von Rezeptor und Antigen sind demnach bis zu fünf Piko-Newton nötig. Zum Vergleich: Man müsste an mehr als 100 Millionen solcher Federn gleichzeitig ziehen, um mit dem Finger eine Klebrigkeit wahrnehmen zu können. Aber auf der molekularen Ebene kann die Wahrnehmung der T-Zellen auf einem ähnlichen Prinzip basieren, wie wir mit unseren Fingern die Klebrigkeit eines Objekt feststellen, sagen die Wissenschaftler.

Wie Finger auf einer Klebefläche

„Der Mensch erfasst dabei, wie stabil die Bindung zwischen der Oberfläche und unserem Finger ist: Wir berühren die Oberfläche und ziehen den Finger weg, bis er sich löst“, sagt Co-Autor Gerhard Schütz von der Technischen Universität Wien. „Das Abrissverhalten kann uns dabei schnell und einfach Information über die anziehende Kraft zwischen Finger und Oberfläche liefern.“ Im Prinzip macht die T-Zelle es wohl genauso: Sie ist nicht statisch – ihre Zellmembran verformt sich ständig, was unseren Fingerbewegungen entspricht. Wenn nun ein T-Zell-Rezeptor an ein Antigen bindet, übt die Zelle eine stetig wachsende Zugkraft aus, bis die Bindung schließlich wieder reißt. Aus den Ergebnissen geht nun also hervor, dass etwa fünf Piko-Newton vermitteln könnten, dass es sich tatsächlich um das passende Antigen handelt.

„Das Verhalten der T-Zellen auf molekularer Ebene besser zu verstehen, wäre für die Medizin ein gewaltiger Sprung nach vorn. Davon sind wir noch ein gutes Stück entfernt“, sagt Huppa. „Aber“, fügt sein Kollege Schütz hinzu, „wir konnten verdeutlichen, dass nicht nur chemische, sondern auch mechanische Effekte eine Rolle spielen können. Die Kombination erscheint sehr sinnvoll“, so der Wissenschaftler.

Quelle: Technische Universität Wien, Fachartikel: Nature Communications, doi: 10.1038/s41467-021-22775-z

6. Mai 2021

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