Je leest:

Duwen en trekken in de cel

Duwen en trekken in de cel

Auteurs: en | 30 april 2000

Het binnenste van een levende cel bestaat uit een labyrint van structuren. Lange ketens van eiwitten zorgen voor de stevigheid van de cel en sturen met minuscule krachten de celdeling. Met nieuwe technieken, geleend van de chiptechnologie en de laserfysica, gaan fysici op zoek naar het geheim van deze krachten.

Het menselijk-genoomproject dendert met haar analyseapparaten op volle toeren door onze genen heen. Nog een paar jaar en we weten precies welke genen voor welke eiwitten in onze cellen coderen. Zal deze informatie toereikend zijn om het functioneren van menselijke cellen en het ontstaan van ziekten volledig te begrijpen? Zo eenvoudig ligt het niet.

Voor het begrip van de vele ingewikkelde processen in een levende cel moeten we niet alleen de relevante genen en bijbehorende eiwitten kennen. Het is ook essentieel dat we begrijpen hoe de moleculen zich in de cel ordenen, via welke mechanismen moleculaire structuren ontstaan en waar de cel de krachten vandaan haalt om moleculen en structuren te verplaatsen. Een cel heeft een skelet dat voor de stevigheid zorgt. Zonder dat skelet zou de cel als een pudding in elkaar zakken. De eiwitketens waaruit dit skelet is opgebouwd, zijn ook betrokken bij het genereren van krachten. Waar die stevigheid precies vandaan komt en hoe krachten precies ontstaan, weten we nog lang niet. Al deze vragen liggen op het fascinerende grensgebied van biologie en fysica, een nog grotendeels onontgonnen terrein. Bij het AMOLF in Amsterdam begeven we ons sinds 1997 op dit gebied. We meten de krachten waarmee groeiende eiwitketens kunnen ‘duwen’. Het is helaas nog niet mogelijk deze krachten in de cel zelf te bepalen. Daar gebeurt te veel tegelijkertijd om het effect van een enkele keten te kunnen onderscheiden. Een modelsysteem biedt echter uitkomst. Met een knap staaltje techniek kunnen we daar de krachten wel meten. De eiwitketens, microtubuli genaamd, blijken miniscule krachten te leveren: een paar piconewton (een miljoenste van een miljoenste newton). Kijk je onder een microscoop naar een levende cel, dan zie je dat het binnenste van de cel in hoge mate is geordend. Wat opvalt is een labyrint van structuren als membranen en polymeren die door moleculen in de cel worden gevormd. Het skelet van een cel, het cytoskelet, bestaat uit een netwerk van eiwitpolymeren (lange ketens van eiwitten), waaronder de microtubuli. Dat netwerk verleent de cel stevigheid en vorm. Het is bovendien belangrijk bij de celdeling en het voortbewegen van cellen. Tijdens de deling van een levende cel hechten de microtubuli zich aan de chromosomen. De microtubuli duwen de chromosomen naar het midden van de cel en trekken ze vervolgens uit elkaar.

Touwtrekken aan chromosomen

Groeiende microtubulus. Bovenaan zit de tubulus vast. Hij groeit toe naar de barrière beneden. Hier aangekomen komt hij krom te staan tegen de minuscule wand. Uit een analyse van de verbuiging van het polymeer (groene lijn) kunnen we berekenen met welke kracht het groeiende uiteinde op een willekeurig tijdstip tegen de muur duwt.

Bij het AMOLF meten we de krachten waarmee groeiende microtubuli duwen. Hiervoor roepen we de hulp in van bekende technieken uit de chipindustrie. Met fotolithografie en etstechnieken brengen we kunstmatige barrières in een klein stuk glas aan. De barrières liggen enkele tientallen micrometers uit elkaar en zijn enkele micrometers hoog. Met biochemische technieken plakken we een kort stukje van een microtubulus vast op het glas, tussen de barrières. Als we vervolgens aan het preparaat een voldoende hoge concentratie gezuiverde tubuline-eiwitten toevoegen, groeit vanaf dit vastgeplakte stukje een nieuwe microtubulus. We volgen de groei van deze microtubulus met een gevoelige lichtmicroscoop. Een camera legt het proces op videoband vast voor verdere analyse. Als de microtubulus bij de barrière aankomt, zit hij klem tussen een vastgeplakt stuk aan de ene kant en een muurvast obstakel aan de andere. Het aanhechten van nieuwe eiwitten aan het groeiende uiteinde gaat echter gewoon door. Het polymeer wordt hierdoor langer en komt krom te staan. Deze verbuiging van de microtubulus kost kracht. Het is net als een elastische staaf: om die krom te buigen, moet je een kracht leveren die afhangt van de stijfheid van het materiaal. De microtubulus moet dus tegen de verdrukking van zijn eigen buiging in groeien. We gebruiken vervolgens de klassieke elasticiteitstheorie om de ontwikkelde kracht uit de vorm van de microtubulus te bepalen. Alhoewel deze kracht een verdere groei van het polymeer niet onmogelijk maakt, bemoeilijkt hij de groei wel. Hoe groter de tegenwerkende kracht, hoe langzamer het polymeer groeit. We meten krachten die in de orde van een paar piconewton liggen. Bij een bepaalde maximale kracht verwachten we dat het groeiproces zelfs geheel stopt. Dit is dan de maximale kracht die groeiende polymeren kunnen weerstaan. Hoe groot deze kracht precies is, hebben we met de huidige techniek echter nog niet kunnen bepalen.

Zachte materialen

Met welke kracht een enkele microtubulus duwt, is een zeer fundamentele vraag. Kennen we het antwoord daarop, dan hebben we nog lang niet de fysica van de cel begrepen. Ook andere fysische processen, zoals de spontane ordening van moleculen, spelen een rol. In een levende cel zitten vele moleculen dicht op een kluitje. Ze moeten zich schikken naar de ruimte die de buren hun gunnen. Dit effect lijkt sterk op de spontane ordening van moleculen die we kennen in vloeibare kristallen, zoals lcd-displays. Fysisch onderzoek naar het gedrag van zachte materialen zoals vloeibare kristallen en polymeren kan ons dan ook op weg helpen meer over het ordeningsgedrag van het binnenste van cellen te leren. Wel moeten we daarbij bedenken dat levende cellen zich juist op één belangrijk punt onderscheiden van de ons bekende zachte materialen: cellen kunnen krachten genereren en beschikken over energiebronnen waarmee ze hun lot actief beïnvloeden. Bij het ordenen van moleculen spelen niet alleen spontane processen een rol, maar de cel maakt ook gebruik van een energieverslindend, georganiseerd transport van moleculen, membranen en chromosomen om alles op de juiste plaats te krijgen. Een voorbeeld hiervan is de verplaatsing van chromosomen tijdens de celdeling. Het is voor de cel van levensbelang dat bij celdeling precies één kopie van ieder chromosoom in elke dochtercel terechtkomt. In plaats van deze deling aan spontane processen over te laten, legt de cel een geavanceerde structuur, de kernspoel, aan. Deze plaatst alle chromosomen eerst netjes in het midden van de cel en verdeelt ze vervolgens in twee gelijke porties. Dit proces verbruikt vele energierijke moleculen zoals adenosinetrifosfaat (ATP) en guanosinetrifosfaat (GTP). Een ander voorbeeld is het gebruik van energie bij het transport van moleculen door een zenuwcel. Een goedkope manier om een molecuul te verplaatsen is via diffusie; het molecuul beweegt zich daarbij spontaan als een dronkelap in willekeurige richtingen. Om kleine afstanden te overbruggen, werkt dit prima. Sommige zenuwcellen zijn echter wel een meter lang. Eiwitten die dichtbij de kern aan het ene uiteinde worden gemaakt, heeft de cel aan het andere uiteinde nodig. Als de cel het van diffusie moet hebben, duurt het duizenden jaren voor deze eiwitten op hun bestemming aankomen. Daar kan de cel uiteraard niet op wachten. Het is veel handiger en sneller om de eiwitten via een actief proces langs lange polymeren, en dus in één richting, te vervoeren. De eiwitten zijn zo maar een paar dagen op reis in plaats van jaren.

Duwende buizen

Duwende microtubulus. Een microtubulus is een dynamisch polymeer. In de cel hechten zich voortdurend nieuwe tubuline-eiwitten aan het uiteinde van een microtubulus of breken daar juist vanaf, waardoor de buis langer of korter wordt. Zo kan de buis bijvoorbeeld een chromosoom voor zich uitduwen of achter zich aantrekken.

Voor transportverschijnselen in de levende cel is het genereren van krachten van groot belang. Maar hoe ziet actief transport en het genereren van krachten er op moleculair niveau nu precies uit? Voor biologen en biofysici is dát een belangrijke vraag. Groeiende cytoskeletpolymeren die iets voor zich uit duwen; dat is één manier om krachten te genereren. Deze polymeren ontstaan doordat cytoskeleteiwitten zich op regelmatige wijze aaneenrijgen. In het geval van microtubuli bestaat de uiteindelijke structuur uit een holle buis opgebouwd uit dertien lange ketens van het eiwit tubuline. De buis heeft een diameter van 25 nm. In de cel vindt voortdurend opbouw en afbraak van deze microtubuli plaats. Het netwerk van microtubuli vormt hierdoor een dynamisch geheel dat zich op elk moment kan aanpassen aan nieuwe taken van de cel. Een polymeer dat steeds nieuwe bouwstenen aan zijn uiteinde toevoegt, kan iets voor zich uitduwen. Dat gebeurt bijvoorbeeld met chromosomen tijdens de celdeling. Microtubuli die inkorten door aan het uiteinde bouwstenen te laten vallen, kunnen een chromosoom achter zich aan trekken.

Motoreiwit

Moleculaire wandelaar. Een motoreiwit ‘wandelt’ langs een microtubulus. Bij elke wandelstap verbruikt het een molecuul ATP. Bovenop het wandelende eiwit ligt de vracht die het transporteert.

Zogenaamde moleculaire motoren vormen een tweede manier van krachtopwekking. Dit zijn eiwitten die er bijna letterlijk uitzien als een wandelaar. Het motoreiwit kinesine bijvoorbeeld, bestaat uit een lang smal gedeelte met aan één kant twee bolvormige structuren die hoofden heten, maar eigenlijk de voeten zijn waarmee het eiwit wandelt. Aan de andere kant zit een aanhechtingspunt voor bijvoorbeeld kleine blaasjes of andere objecten die in de cel voor transport in aanmerking komen. Door achtereenvolgens het ene ‘hoofd’ voor het andere te zetten, verplaatsen deze eiwitten zichzelf en hun vracht door de cel. Ze kunnen daarbij krachten weerstaan van een paar piconewton. De energie voor de arbeid die het eiwit hierbij verzet, onttrekt het aan het energierijke molecuul ATP, de brandstof van iedere cel. De motoreiwitten gebruiken de cytoskeletpolymeren als ‘rails’: kinesine wandelt langs microtubuli en zorgt daarmee onder andere voor het transport van met eiwitten gevulde blaasjes door zenuwcellen.

Optisch pincet

De afbeelding toont hoe een lichtbundel met een plaatsafhankelijke lichtintensiteit een kracht op een glazen bolletje uitoefent. De impuls van het inkomende licht verschilt van die van het uitgaande licht; het verschil bepaalt de kracht op het bolletje. Door de breking van de verschillende lichtstralen krijgt het dus een lichte duw.

Het bolletje wordt vastgehouden door een laserbundel (aangegeven door de pijlen). Als we nu een polymeer tegen het bolletje laten aangroeien, verplaatst het bolletje een klein stukje. Uit de verplaatsing bepalen we de kracht waarmee het polymeer groeit.

De Duitse astronoom Johannes Kepler wist het in het begin van de 17e eeuw al. Licht dat door een voorwerp wordt gereflecteerd of afgebogen, oefent een kracht op dat voorwerp uit. Als je je hand in het zonlicht houdt, oefent het licht een kracht op je hand uit. Maar die is zo klein dat we haar niet voelen. Kepler merkte echter al op dat de staart van een komeet altijd van de Zon af wijst; een gevolg van de stralingsdruk van de zon. Zo heeft een intense laserbundel ook een duidelijk waarneembaar effect op een glazen bolletje van ongeveer een micrometer groot in een waterige omgeving. Zo’n bolletje gedraagt zich in een laserbundel als een kleine lens. Licht dat op het bolletje valt, buigt voor het grootste gedeelte af en reflecteert voor een klein gedeelte. Beide processen geven een tik tegen het bolletje. Alles bij elkaar opgeteld blijkt dat een sterk gefocusseerde laserbundel het bolletje naar het punt duwt waar de lichtintensiteit het hoogste is. De laserbundel houdt het bolletje hier vast. De krachten die nodig zijn om het bolletje uit dit pincet te krijgen, variëren van een paar tot zo’n honderd piconewton. Dat zijn precies de krachten die moleculaire motoren en cytoskeletpolymeren leveren. Door meting van de verplaatsing van het bolletje ten opzichte van het midden van de laserbundel, bepalen we de kracht die een groeiende microtubulus of een wandelende motor op het bolletje uitoefent.

Stralingsdruk

Terug naar het meten van de krachten in de cel. Behalve de krachtmetingen via een ingeklemde microtubulus, beschikken we inmiddels over een alternatieve techniek. Het gaat om een zogenaamde optische pincet. Een optische pincet is een gefocusseerde laserbundel die door de stralingsdruk een glazen bolletje van een micrometer vasthoudt. Verscheidene andere laboratoria (onder andere bij de natuurkundefaculteit van de Vrije Universiteit in Amsterdam) passen deze techniek al met veel succes toe om de krachten te meten die motoreiwitten kunnen leveren. Deze experimenten laten zien dat het motoreiwit kinesine maximaal zo’n zes piconewton kan leveren en dat het molecuul met stapjes van 8 nm langs een microtubulus loopt. Het wandelende molecuul verbruikt bij elke stap een molecuul ATP. Na elke stap blijft het even staan. Arriveert er een nieuw ATP-molecuul, dan kan het weer een stapje zetten. Bij het AMOLF gaan we deze optische techniek binnenkort gebruiken voor experimenten aan de microtubulus. In tegenstelling tot het huidige experiment, lijkt deze techniek vooral geschikt om juist de maximale kracht te meten van een duwende microtubulus. Het plan is als volgt: laat de microtubulus tegen een bolletje duwen dat met een optische pincet wordt vastgehouden (zie kader). Het bolletje schuift een stukje op, totdat de optische kracht precies in evenwicht is met de polymerisatiekracht. Uit de meting van de verplaatsing van het bolletje volgt de maximale polymerisatiekracht. De opstelling staat bijna gereed. Het experiment is nog nergens uitgevoerd, dus de verwachtingen zijn hoog gespannen. De metingen aan minuscule krachten die eiwitpolymeren en moleculaire motoren leveren, dragen in belangrijke mate bij aan ons inzicht in processen als celdeling en celtransport. Het is echter nog maar een eerste stap in de richting van het begrijpen van het ruimtelijk gedrag van moleculen in de cel. Uiteindelijk leidt juist de wisselwerking tussen polymeren, moleculaire motoren en de vele andere moleculen in de cel zo wonderlijk tot het correct functioneren van de cel. Een combinatie van observaties aan levende cellen en het verder bestuderen en modelleren van transport- en ordeningsmechanismen in experimentele modelsystemen zal ons stapje voor stapje een nieuw tijdperk in moeten leiden: een tijdperk waarin we niet alleen de boekhouding van onze genen kennen, maar waarin we ook de fysica van de levende cel begrijpen.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 30 april 2000

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.