Wo Tropfen eine Membran sanft berühren

Max-Planck-Forscher erklären die Form von Membranbläschen, die zwei verschiedene Flüssigkeiten enthalten

Ohne die winzigen Membranbläschen läuft in Zellen kaum etwas: Vesikel dienen etwa als Recyclingfabriken für Zellabfälle, als Entgiftungsstationen oder als Vehikel für den Stofftransport. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung haben jetzt mathematisch beschrieben, warum manche Vesikel eingeschnürt sind wie eine Acht. Dabei haben sie festgestellt, dass diese Einschnürung im Detail anders aussieht als bislang gedacht und dass ihre Form von den Materialeigenschaften der beteiligten Komponenten abhängt. Solche eingeschnürten Bläschen spielen möglicherweise auch bei der Bildung von Vesikeln in biologischen Zellen eine Rolle, oder wenn sich Cytoplasma in Bläschen mit unterschiedlichem Proteingehalt auftrennt. (Physical Review Letters, 4. Dezember 2009)

Meistens nehmen Membranbläschen die Form einer Kugel an. Manchmal treten sie allerdings als Doppelbläschen mit den Umrissen einer Acht auf - etwa wenn sich ein Vesikel von einem anderen abspaltet. "Unter einem optischen Mikroskop betrachtet scheinen die beiden Bläschen von einem scharfen Einschnitt getrennt zu sein", sagt Halim Kusumaatmaja, der an der aktuellen Untersuchung am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm maßgeblich beteiligt war: Das würden die Forscher für ein Doppelbläschen ohne Membran auch erwarten. Wenn jedoch eine Membran die beiden Bläschen umschließt, sollte sich die Einschnürung mehr oder weniger sanft krümmen. Dass sie genau das auf nanoskopischer Ebene auch tut, haben die Potsdamer Forscher mit theoretischen und experimentellen Studien jetzt erstmals nachgewiesen.

Wie stark sich die Einschnürung und die Phasengrenze krümmen, hängt von den beteiligten Komponenten ab: den gelösten Substanzen, dem Lösungsmittel und den Eigenschaften der Membran. Genau hier wird die Sache allerdings kompliziert, und ohne zu verstehen, wie sich die doppelbäuchigen Bläschen bilden, kommt man nicht weiter: Die Potsdamer betrachten Bläschen, die eine Lösung zweier Polymere umschließen. Die Polymere lösen sich beide sehr gerne in Wasser, versuchen sich aber gegenseitig aus dem Weg zu gehen. Die Bläschen wiederum schweben in einer weiteren Lösung, die genauso stark konzentriert ist wie jene in ihrem Inneren. Nun würde eigentlich nichts weiter passieren. Doch dann mischen die Forscher zu der äußeren Lösung eine zusätzliche Komponente, die einen osmotischen Druck bewirkt: Die äußere Lösung enthält nun, bezogen auf einen Liter mehr Teilchen als die Lösung in den Bläschen. Daher tritt aus den Bläschen Wasser durch die Membranen in die äußere Lösung.

Dieser Prozess löst zwar ein Problem, schafft aber ein neues: Die Lösung in dem Bläschen wird durch den Wasserschwund stärker konzentriert - so stark, dass sich die beiden Polymere, die sich nicht gut miteinander vertragen, näher kommen als ihnen lieb ist. Daher trennt sich die Flüssigkeit in dem Bläschen in einen Teil, der mehr von dem einen Polymer enthält, und einen mit einem höheren Anteil des anderen. Physiker sprechen hier von einer Phasentrennung. "Möglicherweise bilden sich auf diese Weise auch in Zellen Vesikel mit unterschiedlichen Inhalten", sagt Halim Kusumaatmaja. Jedenfalls unterscheiden sich die beiden Flüssigkeiten oder Phasen im Bläschen nun voneinander und von der Flüssigkeit außerhalb des Bläschens.

Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der drei Lösungen bringt auch ein jeweils anderes physikalisches Verhalten mit sich - in diesem Fall konkret: eine andere Oberflächenspannung. Sie bestimmt das Kräfteverhältnis an der Grenze der beiden Lösungen und dort, wo diese Grenzfläche auf die Membran trifft. Im Ergebnis führt das Kräftemessen zwischen den beiden Flüssigkeiten und der Membran, die von einer weiteren Flüssigkeit umspült wird, zur Krümmung an den Grenzen - ganz so, wie ein Wassertropfen auf einer stark wasserabweisenden Oberfläche eine kugeligere Form annimmt als auf einer wasseranziehenden, auf der er im Extremfall völlig zerfließt.

Ein Maß für die Krümmung bildet der intrinsische Kontaktwinkel, der sich aus den Eigenschaften der Komponenten ergibt, aber nicht messbar ist. "Wir haben einen Zusammenhang zwischen diesem Kontaktwinkel und messbaren Größen hergestellt", sagt Kusumaatmaja. Außerdem haben die Wissenschaftler mathematisch beschrieben, wie sich die Form der Einschnürung aus den beteiligten Kräften bzw. dem Streben des Systems nach dem kleinstmöglichen Energieinhalt ergibt.

"Für uns ist dieses System vor allem interessant, weil wir dort Benetzungsprozesse im Zusammenspiel mit der Membranphysik beobachten können", sagt Reinhard Lipowsky, der die Untersuchungen als Direktor am Potsdamer Institut leitete. Benetzungsprozesse treten immer dort auf, wo eine Flüssigkeit gleichzeitig mit einem Gas oder einer anderen Flüssigkeit sowie einer festen Oberfläche in Kontakt kommt.

Geht es darum, eine flexible Membran statt einer festen Oberfläche zu benetzen, ändern sich die Verhältnisse natürlich. Auch mit zwei zusammenhängenden Tropfen unterschiedlichen Inhalts, die ohne umhüllende Membran in einer dritten Flüssigkeit schweben, sind die eingeschnürten Membran-Vesikel nicht vergleichbar: "In solch einem System würde tatsächlich ein scharfer Knick zwischen den Tropfen entstehen", sagt Halim Kusumaatmaja: "Nur mit der Membran ergibt sich die sanft gekrümmte Einschnürung."

Aufbauend auf den aktuellen Ergebnissen möchten die Wissenschaftler untersuchen, wie die Gestalt der Vesikel vom intrinsischen Kontaktwinkel und der Spannung zwischen den beiden Lösungen im Bläschen abhängt. "Wir wollen das Verhalten solcher Systeme grundsätzlich verstehen, um auch mehr über die Vesikelbildung in biologischen Zellen zu lernen", sagt Reinhard Lipowsky. Die Erkenntnisse könnten es zudem erleichtern, Flüssigkeiten in Laboratorien auf Mikrochips zu handhaben. Solche winzigen Analyse-Geräte erlauben besonders empfindliche und einfache Analysen in der Chemie, Biologie und Medizin. Dabei lässt sich eine Flüssigkeit möglicherweise auf dieselbe Weise in Tröpfchen mit unterschiedlichem Inhalt trennen, wie das die Potsdamer Forscher in ihren grundlegenden Untersuchungen bewerkstelligt haben.