Evolutionair model voorspelt hoe cellen de verdeling van hun moleculen regelen

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Dynamica en Zelforganisatie in Göttingen, Duitsland, en de TU Delft in Nederland hebben een nieuwe methode ontwikkeld om te bestuderen hoe mengsels, die uit veel verschillende moleculen bestaan, op elkaar inwerken om op betrouwbare wijze verschillende druppels te vormen, zoals voortdurend gebeurt in de levende cel. Dit is de eerste keer dat wetenschappers een model van veel op elkaar inwerkende moleculen hebben ontworpen dat kan voorspellen hoe bepaalde druppels zich vormen. Ze hebben hun bevindingen deze week gepubliceerd in PNAS.

Biofysicus Liedewij Laan en theoretisch natuurkundige David Zwicker zijn geïnteresseerd in het doorgronden van de mysteries van het leven, met name de fundamentele werking van levende cellen. "Ik ben altijd verbaasd dat cellulaire processen überhaupt werken, want een cel bestaat uit duizenden verschillende moleculen die allemaal moeten samenwerken en elkaar niet in de weg mogen zitten," zegt Zwicker. "Gezien de huidige kennis van natuurkunde en scheikunde zou dat niet zo gemakkelijk moeten zijn," voegt Laan eraan toe, "maar moleculen in cellen kunnen zich buitengewoon succesvol tot druppels organiseren. Nu wij hebben aangetoond dat wij de vorming van deze druppels werkelijk kunnen reproduceren, hebben wij ook de vraag geopend hoe dit werkt, net als het toekomstig onderzoek naar die vraag.”

Dressing

Biologische cellen zijn ongelooflijk ingewikkelde machines die bestaan uit duizenden verschillende moleculen die betrouwbaar moeten werken. Om hun moleculen te organiseren, scheiden de cellen ze in verschillende compartimenten. Aangezien de omgeving en de interne toestand van de cellen voortdurend veranderen, staan zij voor de uitdaging om deze compartimenten robuust te vormen en in stand te houden. De meeste bekende compartimenten, waaronder de kern en de mitochondriën, zijn omsloten door stabiele membranen, een barrière die hun vorm bepaalt en hun samenstelling regelt. Veel van de kleinere compartimenten hebben echter geen membraan en zijn vaak dynamischer. Deze membraanloze compartimenten, die in alle dierlijke, plantaardige en bacteriële cellen zijn aangetroffen, vormen zich spontaan, en de interacties tussen de betrokken moleculen bepalen hun samenstelling.

Om te begrijpen hoe veel verschillende moleculen samenkomen om membraanloze compartimenten te vormen, bestuderen Laan en Zwicker theoretisch het fysische proces van druppelvorming. De theorie is duidelijk voor het eenvoudige geval met twee soorten deeltjes, zoals de olie die zich scheidt van het water in een dressing. Om een realistischer celmilieu met een groot aantal mogelijke interacties te onderzoeken, introduceren de onderzoekers een numerieke methode, die voorspelt welke druppels zich vormen in vloeistoffen die uit verschillende moleculen bestaan. Met dit computermodel kunnen zij complexe vloeistoffen onderzoeken, zoals de vloeistof binnenin een cel.

Geheimen van het leven

Hun numerieke methode opent de mogelijkheid om belangrijke vragen te beantwoorden, onder andere hoe cellen op een robuuste manier veel verschillende druppels kunnen vormen. "Het belangrijkste inzicht is dat cellen miljarden jaren evolutie hebben gehad om de interacties tussen moleculen te optimaliseren, zodat zich precies de juiste druppeltjes vormen," legt Zwicker uit. Om dit in de computer na te bootsen, voldoet de numerieke optimalisatiemethode aan een opgelegd aantal druppels na generaties van mutaties en selectie. Interessant is dat meerdere verschillende mengsels bijna perfect uitkomen op het vooraf ingestelde aantal verschillende druppeltjes. Laan: "Het boeiende is dat wij gezien hebben dat wij deze mengsels werkelijk kunnen reproduceren, maar wat misschien nog boeiender is voor ons wetenschappers, is dat wij niet begrijpen hoe dit werkt. Nu zijn wij dus een stuk dichter bij het proberen te doorgronden van deze geheimen van het leven.”

Zwicker benadrukt dat hun onderzoek deel uitmaakt van een grotere paradigmaverschuiving in de biologie: "Onderzoekers keken vaak naar vrij sterke interacties tussen bijvoorbeeld twee eiwitten, die gemakkelijker te bestuderen zijn omdat ze niet zo eenvoudig verstoord worden. Nu bestuderen we deze druppeltjes, gevormd door veel zwakkere interacties, meer en meer, zowel theoretisch als experimenteel, omdat het erop lijkt dat zij een belangrijke rol vervullen binnen de cellen. Maar ze zijn veel moeilijker te bestuderen, omdat deze zwakke wisselwerkingen verstoord kunnen worden door de temperatuur, de zuurgraad, de zoutconcentratie; eigenlijk door alles."

Dit artikel is geschreven in samenwerking met het Max Planck Instituut voor Dynamica en Zelforganisatie