Warum sind manche Zellen groß und manche klein? Top-Journal enthüllt die mikroskopische Welt der Zellen

Li ChuanfuHuang Ting

Im weitläufigen Bereich der Biologie, der Grundeinheit des Lebens, waren Zellgröße und -morphologie schon immer ein heißes Forschungsthema für Wissenschaftler. Was also genau bestimmt die Größe einer Zelle? Die Antwort auf diese Frage ist komplizierter als wir denken. Kürzlich veröffentlichte Cell, die weltweit führende Fachzeitschrift auf dem Gebiet der Biologie, einen Artikel, der die Faktoren, die die Zellgröße beeinflussen, aus mehreren Perspektiven untersuchte und so weitere Einblicke in die mikroskopische Welt der Zellen gewährte.

Mit der Zellgröße ist üblicherweise das Volumen der Zelle gemeint, das durch Messen des Durchmessers und der Höhe der Zelle geschätzt werden kann. Die Größe der Zellen verschiedener Typen variiert erheblich. Bakterienzellen sind lediglich ein bis zwei Mikrometer groß, während Straußeneizellen einen Durchmesser von bis zu fünf Zentimetern erreichen können und damit zu den größten Zellen gehören. Von winzigen Bakterienzellen bis hin zu riesigen Eizellen kann das Volumen um das Zehntausendfache variieren. Darüber hinaus gibt es innerhalb desselben mehrzelligen Organismus enorme Unterschiede hinsichtlich der Zellgröße. Beispielsweise können bei dem einfachen mehrzelligen Organismus Caenorhabditis elegans die Zellgrößenunterschiede zwei Größenordnungen betragen.

Die Zellgröße wird größtenteils durch die Genetik bestimmt. Gene beeinflussen das Zellwachstum und die Zellteilung, indem sie den Verlauf des Zellzyklus steuern. Bestimmte Gene können Proteine ​​kodieren, die die Zellgröße regulieren. Diese Proteine ​​können die Synthese und den Abbau von Substanzen innerhalb der Zelle steuern und dadurch das Zellvolumen beeinflussen.

Die Ansammlung intrazellulärer Materialien ist ebenfalls ein Schlüsselfaktor bei der Bestimmung der Zellgröße. Zellen vergrößern ihr Volumen schrittweise, indem sie biologische Makromoleküle wie Proteine, Lipide und Kohlenhydrate synthetisieren und externe Nährstoffe aufnehmen. Die Geschwindigkeit und Effizienz der Ansammlung von Substanzen in Zellen wirken sich direkt auf die Wachstumsrate und die endgültige Größe der Zellen aus.

Auch die Lebensumgebung der Zellen hat einen erheblichen Einfluss auf ihre Größe. Die Nährstoffversorgung, die Sauerstoffkonzentration, die Temperatur, der pH-Wert und andere Umweltfaktoren beeinflussen die Wachstumsrate und die Stoffwechselaktivität der Zellen. Unter günstigen Umweltbedingungen können Zellen effizienter wachsen und sich teilen, was zu größeren Zellen führt.

Zellen existieren nicht isoliert; Sie kommunizieren und interagieren miteinander über Signalmoleküle. Diese Zell-Zell-Interaktionen können das Zellwachstum, die Differenzierung und die Apoptose regulieren und somit die Zellgröße beeinflussen. Beispielsweise können einige Signalmoleküle das Zellwachstum fördern, während andere das Zellwachstum hemmen können.

Die Größe einer Zelle hängt eng mit ihrer Funktion zusammen. In mehrzelligen Organismen erfüllen verschiedene Zelltypen unterschiedliche physiologische Funktionen, was erfordert, dass sie spezifische Größen und Formen aufweisen. Beispielsweise müssen Muskelzellen groß sein, um Kraft zu erzeugen, während Nervenzellen verlängert sein müssen, um Signale zu übertragen.

Aus evolutionärer Sicht ist die Vielfalt der Zellgrößen das Ergebnis der Anpassung der Organismen an ihre Umwelt. Unter verschiedenen Lebensbedingungen können Zellen unterschiedlicher Größe unterschiedliche Überlebensvorteile haben. Beispielsweise ist es für kleinere Zellen in ressourcenarmen Umgebungen möglicherweise einfacher, ausreichend Nährstoffe aufzunehmen, was ihre Überlebenschancen verbessert.
Bei proliferierenden Zellen erfolgt die Teilung, wenn die Zellen eine bestimmte Größe erreicht haben. Derzeit gibt es zwei Ansichten zu diesem Prozess: Eine Ansicht besagt, dass das Zellwachstum ein kontinuierlicher Prozess ist und nicht von der anfänglichen Größe beeinflusst wird. Die Zelle steigert ihr Wachstum während jedes Zyklus um einen konstanten Betrag, bis sie die Bedingungen für die Teilung erreicht. Dieser Prozess stellt sicher, dass das Zellwachstum eine gewisse Regelmäßigkeit und Vorhersagbarkeit aufweist. Eine andere Ansicht ist, dass Zellwachstum ein dynamischer Prozess ist, der seine Wachstumsrate an die aktuelle Größe anpasst. Im Inneren der Zelle befindet sich ein „Größensensor“, der das Zellvolumen überwacht und ihr signalisiert, sich zu teilen, wenn eine kritische Größe erreicht ist. Dieser Prozess stellt sicher, dass sich Zellen nicht zu früh oder zu spät teilen und die Zellgröße stabil bleibt.

Dank der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie können moderne Biologen die Zellgröße heute durch Genomeditierung, Zelltechnik und andere Mittel präzise steuern. Diese Technologien bieten breite Anwendungsaussichten in den Bereichen Medizin, Biopharmazie usw. und können durch die Regulierung der Größe von Stammzellen die Reparatur und Regeneration von Gewebe fördern.

Die Untersuchung der Zellgröße hilft uns nicht nur, die Natur des Lebens zu verstehen, sondern bietet auch neue Perspektiven für die Behandlung von Krankheiten und die Erhaltung der Gesundheit. Mit fortschreitender Forschung hoffen wir, mehr über die Mechanismen der Zellgrößenregulierung herauszufinden und weitere Beiträge zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und zur Entwicklung der Biotechnologie zu leisten.

(Der Autor Li Chuanfu ist Ingenieur am Green Energy Industrial Research Center der Huazhong University of Science and Technology und Mitglied der Royal Society of Chemistry. Huang Ting ist Masterstudent an der Huazhong University of Science and Technology.)