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 wurde in Zusammenarbeit mit Forschenden der Universität Helsinki, der Technischen Universität Wien und der Masaryk-Universität Brünn durchgeführt und kürzlich im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Chitin und seine Bedeutung

Chitin ist das primäre Baumaterial sowohl für das Außenskelett von Insekten als auch für die Borsten von Borstenwürmern. Besonders interessant ist das weichere Beta-Chitin der Borstenwürmer, das für biomedizinische Anwendungen genutzt werden könnte.

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.”

Chaetoblasten sind spezialisierte Zellen mit langen Mikrovilli, die ein spezifisches Enzym enthalten, das Chitin produziert. Diese Mikrovilli wirken wie die Düsen eines 3D-Druckers und stoßen Chitin aus, wodurch die Borsten geformt werden.

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.”

Kooperation und Technologien

Die Studie profitierte von der Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Wien und der Universität Brünn. Besonders wertvoll war die Kooperation mit dem Jokitalo-Labor der Universität Helsinki, das mit serieller Block-Face-Rasterelektronenmikroskopie (SBF-SEM) die Anordnung der Mikrovilli untersuchte.

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.”

Das Raible-Labor plant, die Auflösung der Beobachtungen weiter zu verbessern, um noch detailliertere Einblicke in die Borstenbildung zu gewinnen. Diese Forschung könnte neue Wege für biomedizinische Anwendungen und nachhaltige Materialentwicklung eröffnen.