Onderzoekers van de TU Delft hebben stappen gezet om te verklaren hoe patronen zoals strepen op een zebra ontstaan in een celpopulatie. Zo kunnen ze bepaalde ruimtelijke patronen voorspellen zonder dat ze de volledige informatie hebben over wat elk van de miljoenen cellen doet. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 25 november 2015 in Cell Systems.

Wiskundige regels

Cellen bestaan uit vele verschillende genen, eiwitten en andere moleculaire onderdelen. En om de zaken nog ingewikkelder te maken kunnen meerdere cellen samen weefsels en complete organismen zoals de mens vormen.

“Een van de grootste uitdagingen voor wetenschappers in de moderne biologie en natuurkunde is om deze complexiteit op de een of andere manier terug te brengen tot ‘eenvoudige’ wiskundige regels (zoals in de natuurkunde) die ten grondslag liggen aan ongelijksoortige en complexe levende systemen en deze met elkaar verbinden”, zegt dr. Hyun Youk, onderzoeker bij de TU Delft en senior auteur van de publicatie in Cell Systems. “Gemotiveerd door eerdere experimentele resultaten hebben we nu enkele wiskundige regels afgeleid die gelden voor een breed scala aan meercellige systemen.”

Pratende cellen

Youk en Théo Maire, een voormalige masterstudent van Youk en de eerste auteur van het artikel, hebben gekeken naar een relatief eenvoudige klasse cellen die één speciaal molecuul kunnen uitscheiden en waarnemen. Dit molecuul kan een specifieke eigenschap van zo’n cel ‘inschakelen’ of ‘uitschakelen’. “We laten zien hoe het gedrag van elke cel verandert wanneer we twee van dergelijke cellen samenvoegen en (via dit molecuul) met elkaar laten communiceren. Vervolgens voegen we steeds meer cellen samen die met elkaar ‘praten’ via dit signaalmolecuul.”

“We hebben regels afgeleid waarmee we nu het ontstaan van bepaalde ruimtelijke patronen in een groep cellen kunnen voorspellen. Zo zouden we kunnen verklaren hoe ruimtelijke patronen (zoals de strepen op een zebra) ontstaan in een celpopulatie, zonder dat we de volledige informatie hebben over wat elk van de miljoenen cellen doet.”

Kwantificeerbare vrijheid

Maire en Youk kunnen nu stap voor stap uit de eenvoudige interacties binnen en tussen cellen traceren hoe complex gedrag van weefsels en embryo’s kan ontstaan. “Ons werk verklaart een brede klasse van verschillende biologische entiteiten die belangrijk zijn voor de ontwikkeling en het functioneren van weefsels en organen. Voor het eerst kunnen we laten zien dat concepten als ‘vrijheid’, ‘autonomie’ en ‘collectiviteit’ van een cel kwantificeerbare eigenschappen zijn.’

Entropie

Maire en Youk introduceren ook het concept ‘populatie-entropie’, dat eindelijk kan verklaren hoe ruimtelijke patronen ontstaan in een celpopulatie, zonder dat we de volledige informatie hebben over wat elk van de miljoenen cellen doet. “Het nieuwe concept legt een verband tussen wanorde en orde bij cellen. Deze nieuwe vorm van entropie is vergelijkbaar met het concept entropie dat in de natuurkunde bekend is. Zo hebben we de mogelijkheid om dit intrigerende verband in de nabije toekomst diepgaander te onderzoeken.”

Tekening van cellen die samen het woord “ENTROPY” vormen, met een variërende mate van orde en wanorde. Maire en Youk definiëren hier formeel de hoeveelheid autonomie en collectiviteit van cellen. Zeer collectieve cellen (kralen van dezelfde kleur) vormen ordelijke patronen (de letter E). Zeer autonome cellen (kralen van verschillende kleuren) vormen wanordelijke patronen (de letter Y). Het spectrum van collectiviteit naar autonomie (afgebeeld als letters die steeds onsamenhangender worden) bepaalt de ‘populatie-entropie’. Hierin staat de hoogte van de letters voor het vermogen van een populatie om wanorde te vormen.

Meer informatie 
Title: "Molecular-level tuning of cellular autonomy controls the collective behaviors of cell populations". 
Authors: Théo Maire, Hyun Youk. 
Journal: Cell Systems 
Published 25 November 2015

Dit najaar ontving Hyun Youk een ERC starting grant voor zijn onderzoek hoe cellen op verschillende locaties communiceren met signaalmoleculen zodat cellen op de juiste tijd en de juiste plaats de juiste genen inschakelen. 
Meer informatie over Hyun Youk en het Youk Lab – Physics of Cellular Systems

Contact
Hyun Youk, H.Youk@tudelft.nl
Ilona van den Brink (wetenschapsvoorlichting TU Delft), 015-2784259, i.vandenbrink@tudelft.nl