Zellen unter Hochspannung

Nervenzellen erzeugen Impulse, indem sie ihre Zellmembran unter elektrische Spannung setzen und vorübergehend kurzschließen. Doch auch im Innern einer Zelle können beträchtliche Feldstärken auftreten, haben amerikanische Forscher beobachtet. Mit Hilfe von “Nano-Voltmetern” ermittelten sie Werte von einigen Megavolt pro Meter.

Foto: C. Clark; NOAA Photo Library, NOAA Central Library; OAR/ERL/National Severe Storms Laboratory (NSSL)

Diese Feldstärken seien einige Hundert Mal höher als jene in der Nähe einer Überlandleitung, erläutert Raoul Kopelman von der University of Michigan in Ann Arbor. Die neuen Resultate liefen allen bisherigen Vorstellungen zuwider. “Das Paradigma war, dass im Zytosol kein elektrisches Feld herrscht. In den 13 von uns vermessenen Regionen haben wir jedoch ohne Ausnahme Feldstärken von bis zu 15 Millionen Volt pro Meter festgestellt.”

Bei Spannungsmessungen wird typischerweise eine Messelektrode in die Zelle gestochen, während die andere in der Kulturflüssigkeit ruht. Kopelman und Kollegen schleusen dagegen winzige Voltmeter in das Zellinnere ein. Dabei handelt es sich um 30 Nanometer (Millionstel Millimeter) große Siliziumkügelchen mit einer biokompatiblen Beschichtung. Gefüllt die Kügelchen mit einem Farbstoff, der nach Anregung mit blauem Licht sowohl rotes als auch grünes Licht aussendet. Die genaue Farbmischung hängt von dem elektrischen Feld ab, dass die Farbstoffmoleküle “spüren”.

Indem sie mehrere Tausend dieser Nano-Voltmeter in eine Zelle einbrachten, konnten die Forscher eine dreidimensionale Karte des elektrischen Feldes darin erstellen. Wie die Gruppe kürzlich im “Biophysical Journal” berichtete, entspringen vor allem an den Mitochondrien, den Zellkraftwerken, dichte Bündel von Feldlinien und erstrecken sich auf mehr oder weniger verschlungenen Pfaden durch die gesamte Zelle.

Ob diese starken Felder eine biologische Bedeutung oder gar Funktion hätten, sei bislang unklar, so Kopelman. “Aber ich könnte mir denken, dass diese Frage eine Menge Leute für lange Zeit beschäftigen wird.” Aus früheren Studien gebe es immerhin Hinweise darauf, dass das elektrische Milieu einer Zelle sowohl bei normalen Vorgängen wie der Wundheilung als auch bei Krankheitsprozessen eine Rolle spielen könne.

Forschung: Katherine M. Tyner, Raoul Kopelman und Martin A. Philbert, Toxicology Program und Chemistry Department, University of Michigan, Ann Arbor

Präsentation auf dem 47th Annual Meeting of the American Society for Cell Biology, Washington, D.C.; Veröffentlichung Biophysical Journal, Vol. 93, pp 1163-74, DOI 10.1529/biophysj.106.092452

WWW:
Kopelman Laboratory, University of Michigan
Elektrisches Feld
The Patch Clamp

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