Je leest:

De vijf mysteries van de cel

De vijf mysteries van de cel

Jongleren met evenwicht

Auteur: | 4 december 2013

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: jongleren met evenwicht.

Complete bibliotheken zijn vol­ geschreven over de boeiendste machinekamer ter wereld: de cel. Van wand tot kern is de cel grotendeels in kaart gebracht. Alleen de kleinste schakels wachten nog op ontdekking, maar dat is slechts een kwestie van tijd. Althans, zo lijkt het als je afgaat op de enorme stroom aan ontdekkingen die celbiologen letterlijk dagelijks bekendmaken.

Toch zijn enkele fundamentele eigenschappen van de cel nog nauwelijks bekend, terwijl die wel het gedrag van de cel in hoge mate bepalen. Cellen zijn zo complex en eigenzinnig dat het nagenoeg ondoenlijk is ze natuurgetrouw te onderzoeken.

Een impressie van slechts enkele processen in de cel.
Wikimedia Commons

De ontelbare regelnetwerken die dwars door elkaar lopen, concentraties enzymen waar de industrie een puntje aan kan zuigen, de willekeur van chemische reacties. Stuk voor stuk zijn het gebieden waar wetenschappers hun hoofden dagelijks over breken. Veelal technologische beperkingen zorgen ervoor dat de werking van de biologische cel voorlopig nog een aantal mysteries huisvest. Kennislink duikt in vijf aspecten van de cel waar wetenschappers nog wel even zoet mee zijn.

1. Jongleren met evenwicht

Biologie was eeuwenlang het domein van fysiologen, ecologen en artsen. We zijn er inmiddels achter dat op het kleinste niveau van een biologische cel niets anders gebeurt dan chemische reacties. Dus zou het ook logisch zijn om die reacties op een chemische manier te bestuderen. Maar als we onze chemische theorieën op de biologische cel proberen toe te passen levert dat aanzienlijke problemen op.

De reacties zijn namelijk fundamenteel anders dan de reacties die normaal gesproken in een chemisch lab worden bestudeerd. Chemici houden van reacties die ofwel tot een product leiden, ofwel naar een chemisch evenwicht toe lopen. In het eerste geval gooi je simpel gezegd stoffen A en B bij elkaar en wacht totdat deze in product C zijn omgezet. In het tweede geval, de evenwichtssituatie, worden er uit product C ook weer de stoffen A en B gevormd. Chemici spreken dan van een chemisch evenwicht, waarbij de stofconcentratie van A, B en C uiteindelijk gelijk blijven.

Een biologische cel houd geen vijf ballen in de lucht, maar duizenden.
Connormah

Steady state

“Maar wat gebeurt er nou in de cel?” zegt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “Totaal iets anders.” De chemie van de cel doet namelijk geen van beiden. Er is geen eindproduct maar evenmin een evenwichtstoestand. Immers, als we niet eten gaan we dood; er moet constant energie worden aangevoerd voor de processen in een cel.

Huck vergelijkt de cel daarom graag met een jongleur die wel duizenden ballen tegelijk in de lucht houdt. Stopt hij daar geen energie meer in dan stort het systeem in en eindigen de ballen in hun ‘evenwichtstoestand’ op de grond.

De celinhoud, met bijvoorbeeld de duizenden Eiwit , is wel altijd op zoek naar een evenwicht, maar zal dat chemisch gezien nooit bereiken. En die toestand waarin alle reacties elkaar in evenwicht proberen te krijgen maar wat ze niet lukt wordt steady state genoemd. ‘En deze niet-evenwicht, dynamische situatie van de cel is precies de kern van het probleem voor wetenschappers, omdat er geen goede methoden zijn om zulke systemen te bestuderen,’ sprak Huck in zijn oratie voor de Radboud Universiteit in 2011. Als voorbeeld daarvoor haalde Huck een onderzoek aan wat hij deed aan actine-netwerken in de cel.

Eén molecuul, meerdere evenwichten

Actine is een eiwit dat in een vrij grote concentratie in het cytoplasma van de cel zit, en dat lange, stabiele ketens kan vormen die de cel stevigheid geven. Huck liet cellen in meer of mindere mate die actinenetwerken opbouwen, door ze op verschillende ondergronden te laten groeien.

Als actine echter wordt gebruikt in het ene evenwicht (het opbouwen van de netwerken) kunnen diezelfde actine-bouwstenen niet meer gebruikt worden in andere evenwichten. Dit betekent dat het ene evenwicht onder invloed van het andere evenwicht verschuift. Huck zag dat het veranderen van het tweede evenwicht een nieuwe reactieketen veroorzaakte: er gingen meer signaaleiwitten naar de celkern om daar specifieke genen te activeren. En zoiets gebeurt vaak. Je kunt er dan ook bijna zeker van zijn dat een bepaald (signaal)molecuul in verschillende evenwichten is betrokken.

Je kunt er donder op zeggen dat bepaalde moleculen in een cel in verschillende ‘reactie-paden’ betrokken zijn. Het totaal vormt een ingewikkelde puzzel voor wetenschappers.
Elledge Lab/Harvard Medical School

“Kijk je nu naar de concentratie van het vrije actine, dan kijk je dus eigenlijk naar een aantal verschillende processen en dat maakt het onderzoek ingewikkeld”, zegt Huck. Want de wetenschapper wil in zijn proefopstelling eigen alles constant houden, behalve de variabele die hij onderzoekt. De aard van de cel maakt dat nu net onmogelijk. We kunnen voor dit probleem ook naar computer grijpen. In feite kun je alle netwerken doorrekenen. “Daar zijn al mensen mee bezig, maar dat staat nog in de kinderschoenen,” zegt Huck.

1/6

De vijf mysteries van de cel

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.

1/6

Jongleren met evenwicht

We zijn er inmiddels achter dat op het kleinste niveau van een biologische cel niets anders gebeurt dan chemische reacties. Maar die reacties zijn fundamenteel anders dan wat normaal gesproken in een chemisch lab worden bestudeerd. Een duizelingwekkend netwerk van chemische stoffen reageert continu met elkaar en houdt de cel zo in een toestand die steady state wordt genoemd. Wetenschappers vergelijken dit graag met een jongleur die duizenden ballen tegelijk in de lucht houdt. Een kunststukje van de cel dat met ‘klassieke’ onderzoeksmethodes nauwelijks te onderzoeken valt. Lees verder…

1/6

File in de cel

Een druk stadscentrum met massa’s auto’s, fietsers en voetgangers die kriskras door elkaar bewegen komt eigenlijk nog niet eens in de buurt van de chaos die er in een cel heerst. Tot wel 40 procent van het volume van de cel wordt ingenomen door eiwitten. Dat betekent dat de celinhoud geen vloeibaar ‘wegennet’ vormt waarin moleculen moeiteloos kunnen reizen, maar dat het een stroperige omgeving is waar moleculen elkaar steeds weer opnieuw tegenkomen. Voor wetenschappers vormen de hoge eiwit-concentraties een uitdaging. Tot nu toe werd het gedrag van de enzymen vrijwel uitsluitend in verdunde omgevingen onderzocht. Lees verder…

TimVickers via publiek domein

1/6

De snelwegen van de cel

Transport vormt een probleem in de cel. Als er geen oplossing zou zijn bedacht op de zeer trage diffusie van grote eiwitten door de cel, dan zouden ze vrijwel nooit op de plek belanden waar ze nodig zijn. En ook het doorgeven van signalen van bijvoorbeeld de kern naar de celwand zou een hele opgave zijn. De cel heeft daarom een enorm netwerk waarlangs stoffen actief getransporteerd worden, als het ware de snelwegen van de cel. Het onderzoeken van de specifieke locaties van netwerken van eiwitten in de cel is lastig, want met bestaande fluorescentietechnieken is slechts een klein aantal eiwitten te volgen. Lees verder…

1/6

De opbergdoos van het DNA

Wellicht een van de meest onderzochte moleculen in de cel is DNA. De lange streng bevat alle genetische informatie en bevindt zich in de kern van de cel. Toch is het voor wetenschappers nog grotendeels gissen naar de manieren waarop de reusachtige moleculen zijn opgeborgen in de relatief kleine celkern. En dat terwijl delen van het DNA continu worden ‘afgelezen’ door een groot aantal eiwitten. Lees verder…

1/6

Onberekenbaar gedrag

Dat cellen tot één soort behoren wil allerminst zeggen dat ze zich precies hetzelfde gedragen. Zelfs cellen die in dezelfde omgeving met dezelfde geschiedenis en hetzelfde genoom zijn opgegroeid kunnen totaal van elkaar verschillen. De oorsprong van die verschillen zit hem in het willekeurige gedrag van moleculen in de cel. In het huidige onderzoek wordt hier nauwelijks rekening mee gehouden, en veel onderzoek is gebaseerd op het ‘gemiddelde’ gedrag van een groep cellen. Lees verder…

Lees volgende week het tweede deel uit deze serie: stadsdrukte in de cel. Dit artikel is een bewerking van een eerder artikel dat in NWT Magazine is verschenen.

Lees meer over het onderzoek van Wilhelm Huck:

Programmeerbare chemische reacties

Roel van der Heijden
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 december 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.