Delftse onderzoekers creëren bouwstenen van celmembranen op kunstmatige manier

Nieuws - 03 november 2016

Andrew Scott, verbonden aan het Christophe Danelon Lab van de TU Delft, heeft een belangrijke stap gezet op de lange weg naar een synthetische cel. Scott heeft het proteïnemechanisme gereproduceerd dat verantwoordelijk is voor de synthese van fosfolipiden. Dat zijn de moleculen waar celmembranen uit bestaan.

Op kunstmatige wijze cellen maken – dat is in een notendop de doelstelling van het Christophe Danelon Lab. De onderzoeksgroep probeert alle essentiële celfuncties tegelijkertijd na te bouwen in het lab. Ambitieus? Dat is het zeker. Maar de onderzoekers hebben aangetoond dat hun benadering weleens de juiste kon zijn. De meest recente doorbraak van het Danelon Lab is het resultaat van promotieonderzoek van Andrew Scott. Na 4,5 jaar is Scott erin geslaagd om fosfolipiden te synthetiseren. Dat zijn de moleculen waaruit de basisstructuur van membranen bestaat.

Laag van lipiden

Membranen zijn belangrijke onderdelen van cellen. Ze functioneren als een barrière tussen het inwendige van een cel en de buitenomgeving. Je vindt ze ook binnenin de cel, rondom organellen, de ‘orgaantjes’ die de basisfuncties van de cel uitvoeren.

De basisstructuur waaruit membranen bestaan wordt de ‘fosfolipide bilaag’ genoemd. Deze laag is slechts enkele nanometers dik en bestaat uit twee laagjes lipidenmoleculen. De moleculen bestaan op hun beurt uit een hydrofiele (‘waterminnende’) kop en een hydrofobe (‘watervrezende’) staart. Als ze in contact komen met water, verzamelen de lipiden zich spontaan. Ze vormen daarbij een afgesloten ruimte die ongewenste elementen buiten houdt, een beetje zoals een Macedonische falanx.

Het begint met genen

Fosfolipidemoleculen ontstaan door een reeks complexe chemische reacties die in gang worden gezet door gespecialiseerde proteïnen (enzymen). Scott is erin geslaagd om deze reacties in een reageerbuis na te bootsen. Daarvoor gebruikte hij DNA dat de genetische code voor deze enzymen bevatte, een mengsel van chemische stoffen die het DNA-programma konden omzetten in proteïnen én eenvoudige, zogeheten ‘precursor’-moleculen voor fosfolipiden.

Het DNA dat Scott bij zijn onderzoek heeft gebruikt, was oorspronkelijk afkomstig van E. coli. Dat is een relatief eenvoudige en uitgebreid onderzochte bacterie die onder meer te vinden is in menselijke darmen. “Maar voordat dit het definitieve DNA-sjabloon was dat we konden gebruiken, heeft het DNA wel nog verschillende moleculair-biologische stappen ondergaan”, aldus professor Christophe Danelon.

Net zoals een serie computeropdrachten ervoor zorgt dat een programma opstart, startte het uitlezen van het DNA een reeks biochemische reacties. Met de productie van fosfolipidemoleculen als eindresultaat. “We hebben dus niet alleen de lipiden gesynthetiseerd, maar ook de keten aan proteïnen die bij dit pad een rol speelt”, legt Danelon uit.

Opmerkelijk genoeg was de productie van de lipiden niet het lastigste onderdeel van dit onderzoeksproject. “De grootste uitdaging was het detecteren van de fosfolipiden”, vertelt Scott. “Ik heb anderhalf jaar geworsteld met verschillende technieken die niet de benodigde resolutie konden bieden.”

Uiteindelijk werd het met de komst van een massaspectrometer mogelijk om minieme hoeveelheden lipiden op te sporen. “Toen we deze lipiden eenmaal konden detecteren, was het relatief eenvoudig om de functionaliteit van de verschillende enzymen te onderzoeken, wat fraaie resultaten heeft opgeleverd.”

Modules combineren

Tot nu toe heeft het Danelon Lab via reverse engineering de werking van verschillende belangrijke celmechanismen uitgezocht, en ook nagebouwd. Een belangrijke volgende stap wordt de optimalisering van de verschillende onderdelen. Zo was de hoeveelheid lipiden die tijdens dit onderzoek is geproduceerd vrij bescheiden. Daardoor zullen de compartimenten die de moleculen vormen niet in staat zijn om te groeien en delen, zoals bij normale cellen ‘van nature’ gebeurt.

Het combineren van de verschillende biologische modules tot één levende, zich vermenigvuldigende cel, zal ook nog een grote uitdaging voor de Danelon-groep worden. Waarschijnlijk volstaat het niet om de diverse onderdelen simpelweg te combineren. Voor de processen in een minimale cel, zoals het Danelon Lab die nu in gedachten heeft, zijn namelijk slechts 150 genen nodig. Terwijl de eenvoudigste tot nu toe bekende levensvorm een kunstmatige bacteriecel is, die is gemaakt aan het Craig Venter Institute en uit 473 genen bestaat – heel wat meer dan 150. Bovendien is van ongeveer twintig procent van die 473 genen niet precies duidelijk wat de functie ervan is. Ook daar zal in de toekomst onderzoek naar moeten worden gedaan.

Zo complex als een stad

Eén ding is duidelijk: er moet nog heel wat werk worden verzet. Op de vraag of het volgens hem mogelijk is om een synthetische cel te maken, is Scotts antwoord positief. “Maar”, zegt hij, “ik verwacht wel dat zo’n cel minimaal even complex zal zijn als een moderne stad.  Niemand zal alle losse onderdelen begrijpen.” Hoe lang het nog duurt voordat de synthetische cel een feit is? “Met onze huidige biologische kennis kan ik daar geen uitspraak over doen”, aldus Danelon. “Maar één ding is zeker: dit project zal ons nog heel lang bezighouden.”

'Cell-Free Phospholipid Biosynthesis by Gene-Encoded Enzymes Reconstituted in Liposomes', door Andrew Scott, Marek J. Noga, Paul de Graaf, Ilja Westerlaken, Esengul Yildirim en Christophe Danelon is op 6 oktober 2016 gepubliceerd in PLOS ONE.