Cellen: sterk op de juiste plaats en tijd

Nieuws - 25 augustus 2022 - Communication TNW

Onderzoekers van de TU Delft en NWO-instituut AMOLF ontdekten hoe bepaalde moleculaire bindingen levende cellen zowel flexibel maken om te bewegen als sterk om krachten te weerstaan. Paradoxaal genoeg blijkt dat deze krachtgevoelige catch bonds meestal zwak en inactief zijn, maar naar specifieke plaatsen reizen waar en wanneer cellen beschadigd raken. Deze ontdekking is vandaag gepubliceerd in Nature Materials

Moleculaire catch bond-eiwitten komen voor in veel verschillende weefsels, zowel in als tussen cellen. Deze bindingen vallen regelmatig uit elkaar, zoals de meeste biologische bindingen doen, maar ze hebben een eigenaardige eigenschap: als je hard aan een catch bond trekt, begint deze juist strakker te binden. Onderzoekers ontdekten dat dit vermogen het materiaal versterkt op specifieke plaatsen waar de binding spanning ervaart. De ontdekking is een doorbraak, 20 jaar na de eerste vondst van dergelijke bindingen. Dit is ook de eerste keer dat de onderzoekers getuige zijn geweest van catch bonds die samenwerken in biologische materialen.

Zowel flexibel als sterk
Voormalig AMOLF onderzoeker Yuval Mulla legt uit: “Meestal definiëren we hoe sterk iets is op twee manieren: een materiaal kan ofwel goed vervormen – heel ver uitrekken zonder te breken, zoals rubber – of het materiaal kan veel kracht dragen, bijvoorbeeld een baksteen; hoewel het materiaal sterk is, kan het maar een klein beetje uitrekken voordat het breekt. Bij het bestuderen van de aard van catch bonds, ontdekten we dat deze moleculaire bindingen in staat waren om beide te doen: flexibel en sterk zijn, ook al zijn hun moleculaire bindingen zwak. En toen dachten we: zouden catch bonds verklaren waarom levende cellen de rekbaarheid van rubber combineren met de sterkte van een baksteen?” 

Om deze ideeën te testen, hebben de onderzoekers de mechanische eigenschappen van het netwerk van het cytoskelet gemeten die ze in het laboratorium, in samenwerking met de Biophysics-groep, reconstrueerden om aan enkele bindingen te trekken. Ze ontdekten dat veel van de bindingen gewoon rondzweven, kort binden om vervolgens weer los te laten. Toen de onderzoekers het materiaal echter vervormden, ontdekten ze dat veel bindingen naar vooral beschadigde plaatsen reizen om te binden. Volgens Mulla doen ze dat “omdat de catch bonds zich ophopen op zwakke plekken waar en wanneer ze nodig zijn om het netwerk heel sterk te maken.”

Verband met ziekten
De studie omvatte een gemuteerde versie van hetzelfde eiwit, waarvan bekend is dat het voorkomt bij een genetische ziekte die leidt tot nierfalen. In tegenstelling tot een gewone catch bond, ontdekten de onderzoekers dat deze gemuteerde versie altijd actief was. Deze grotere bindingskracht maakt het moeilijk voor de mutant om zich te verplaatsen, maar maakt het netwerk paradoxaal genoeg ook zwakker omdat de bindingen zich niet ophopen waar nodig, zegt groepsleider Gijsje Koenderink: “Door het gemuteerde eiwit beter te begrijpen, kunnen we in de toekomst misschien ook het proces van nierfalen begrijpen. Daarnaast hopen we te begrijpen hoe catch bonds een rol spelen bij hoe invasief kankercellen zijn.”

Materiële kijk op het leven 
De onderzoeksgroep van hoogleraar Gijsje Koenderink van de TU Delft is vooral geïnteresseerd in materiaaleigenschappen van levende materie. Een centraal thema in haar groep is dat levende cellen en weefsels dynamisch en flexibel moeten zijn, maar ook sterk: “Deze eigenschap is anders dan alle synthetische materialen die we kennen”, zegt Koenderink. “Onze ambitie is om nieuwe ontwerpprincipes te leren van levende materialen om synthetische materialen te maken die tegelijkertijd flexibel en sterk kunnen zijn. Sterker nog, we werken momenteel samen met chemici en biofysici zoals Sander Tans bij AMOLF om te proberen zulke synthetische catch bonds te maken.”
 

Catch bonds (rood) zijn zwak in gebieden met lage spanning (1) en ontbinden daarom snel (2). Deze ongebonden exemplaren binden opnieuw op willekeurige plaatsen in het netwerk, maar binden alleen stevig vast in gebieden met hoge spanning (3), waardoor ze het netwerk versterken waar dit het meest nodig is. Daarentegen blijven normale bindingen (blauw) vastzitten in gebieden met een lage spanning.

Prof. Dr.

Gijsje Koenderink

Prof. Dr. Ir.

Sander Tans

/* */