De machinerie van de biologische cel is tot in detail bekend. Tenminste, als we kijken naar de kennis die een paar eeuwen celonderzoek heeft opgeleverd. Op het allerkleinste niveau is de cel echter een mysterieus terra incognita. Kennislink neemt de cel in vijf artikelen onder de loep. Deze week: de snelwegen van de cel.
De gewone bezorging of de dure maar snelle expressverzending? Dit is niet alleen een overweging die jij maakt als je een pakketje wilt versturen. Maar de cel doet precies hetzelfde op moleculair niveau met moleculen die op een bepaalde plek nodig zijn in de cel. Eiwitten die in de celkern worden gemaakt, kunnen bijvoorbeeld nodig zijn in de buurt van het ‘verre’ celmembraan.
Hang een theezakje in een kop heet water voilà: diffusie.
Naama ymNu is er zoiets als diffusie. Een ‘gratis’ kracht die ervoor zorgt dat moleculen van hetzelfde soort zich onder invloed van thermische bewegingen vanzelf verspreiden in een volume. Denk hierbij aan het proces dat gestaag je kopje heet water omtovert tot thee op het moment dat je er een theezakje in hangt.
Handig, die diffusie, maar het is niet afdoende voor de cel. Door de drukte in de cel duurt het lang voordat grote moleculen zich verspreiden. Bacteriën hebben daar met hun kleine afmetingen (zo rond de micrometer) minder last van, maar de bezorgtijden in grote eukaryote cellen van hogere organismen (tot dertig micrometer), lopen dusdanig op dat het functioneren van de cel onmogelijk wordt. De cel moet een oplossing hebben: een ware expressbezorging in de cel.
Betaalde bezorging
Die koeriersdienst voor grote moleculen vindt plaats met blaasjes die over een netwerk van buisjes vooruit worden getrokken door speciale motoreiwitten. Maar net zoals bij de echt koerier zijn daar kosten aan verbonden. En de cel betaalt niet in euro’s maar in kostbare energiemoleculen als adenosinetrifosfaat.
Wanneer een gistcel al zijn 15.000 verschillende eiwitten via deze manier zou ‘versturen’, zou dat naar schatting zo’n 60 procent van het totale energiebudget van de cel kosten. En dat kan hij zich niet veroorloven. Een eukaryotische cel gebruikt maar zo’n vier procent van zijn energie voor transport over dit snelle netwerk.
http://www.youtube.com/watch?v=y-uuk4Pr2i8
Een groot aantal moleculen moet het dus enkel stellen met diffusie. En daar is eigenlijk niet zo veel mis mee. Voor hele kleine deeltjes is de diffusie zelfs sneller dan het actieve transport, maar met de grootte van de deeltjes loopt de diffusietijd ook snel op. Daarom heeft de cel een andere handigheid in petto.
Kettingreacties in beeld
Zogenoemde reactiediffusie-netwerken zijn in staat snel en gericht signalen te versturen door een keten van reagerende stoffen te vormen. In dat netwerk zitten eiwitten die een reactie versnellen waarvan het product weer naburige eiwitten activeert op deze manier via verschillende schakels razendsnel een signaal kunnen doorgeven.
Er is niet veel wetenschappelijke literatuur over reactiediffusie. Dat is niet gek vindt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit Nijmegen: “Er zijn relatief weinig mensen bezig met dit onderzoek. Als je dit soort systemen wilt analyseren moet je nu eenmaal precies kunnen volgen waar moleculen zich bevinden in de cel. En daar zitten technisch gezien allerlei haken en ogen aan.”
We kunnen moleculen wel labelen met green fluorescent protein (gfp), een ‘geleend’ eiwit uit een lichtgevende kwal. Groot voordeel: met een ‘gewone’ lichtmicroscoop worden stoffen binnen de cel zichtbaar. Nadeel: het gfp-label kan de snelheid en de reactiviteit van een molecuul beïnvloeden.
Bovendien is het op deze manier nog steeds praktisch onmogelijk een individueel eiwit te volgen. Alleen ophopingen en dus grote concentraties van hetzelfde eiwit zijn zo zichtbaar. En je kunt maar één of hooguit een paar soorten moleculen tegelijk volgen (door ze anders te labelen). Zodra je een heel netwerk in één keer wil visualiseren loop je dus al tegen de grenzen van deze techniek aan.
Daarom werken wetenschappers hard aan andere visualisatiemanieren, bijvoorbeeld nanosensoren. Deze kunnen in de cel worden ingebracht en zenden licht uit als ze hun target tegenkomen. Deze techniek staat nu nog in de kinderschoenen maar kan wel de weg vrijmaken voor het moeilijke maar veelbelovende avontuur van het doorgronden de signaalnetwerken op celniveau.
