'Eerst maar iets fragiels bouwen dat het een beetje doet'

Zonder skelet zouden wij een slappe pudding zijn. Voor onze cellen geldt eigenlijk hetzelfde. Die hebben een cytoskelet dat ervoor zorgt dat de cel z’n vorm behoudt, maar ook kan veranderen. Want een cel deelt zich regelmatig en dat vraagt een enorme krachtsinspanning en een flexibele structuur. Doordat het zichzelf doorlopend opbouwt en weer afbreekt kan het cytoskelet snel van structuur veranderen en tegelijkertijd de benodigde krachten uitoefenen om de boel uit elkaar te trekken tijdens de celdeling.

“Celdeling is een heel mechanisch proces”, zegt natuurkundige Marileen Dogterom, hoogleraar Bionanowetenschappen aan de TU Delft. Door het meten en modelleren van de krachten die het cytoskelet uitoefent, wil ze niet alleen de werking begrijpen, maar het ook kunnen nabouwen in een synthetische cel. Dogterom is de ‘trekker’ van het BaSyC consortium (Building a Synthetic Cell) en ze is nauw betrokken bij het Origins Center dat diverse fundamentele aspecten van het leven wil bestuderen. NEMO Kennislink ging langs in Delft om te horen over natuurkunde in levende cellen, de werking van het cytoskelet en waarom dat belangrijk is voor het bouwen van een synthetische cel.

Bij een levende cel denk ik aan een geconcentreerde oplossing met daarin allerlei verschillende structuren, onderdelen en vooral heel veel eiwitten. Kun je om te beginnen uitleggen hoe het cytoskelet in elkaar zit in die oplossing?
“Het begint allemaal bij het centrosoom. Dit is het onderdeel van de cel van waaruit de microtubuli alle kanten op groeien. Zij vormen het ‘skelet’ van de cel en tegelijkertijd ook het ‘wegennet’, waarlangs speciale motoreiwitten kunnen ‘lopen’ om allerlei stoffen door de cel te transporteren. De microtubuli zijn zelf-assemblerende holle buizen opgebouwd uit het eiwit tubuline. Ze vormen zichzelf doordat aan het groeiende uiteinde steeds weer nieuwe tubuline moleculen gaan plakken.”

“Het bijzondere aan de microtubuli is dat ze doorlopend bezig zijn met groeien en weer krimpen en dat die twee toestanden naast elkaar kunnen bestaan. Daarin verschillen ze van andere polymeren, waarbij alle ketens óf groeien óf uit elkaar vallen. Bij microtubuli kan het zijn dat de ene keten groeit, terwijl de keten ernaast juist krimpt. Ze vormen geen rigide structuur, maar het is een heel dynamisch systeem van continu groeiende en krimpende ketens die door hun beweging krachten uitoefenen.”

Hoe kan iets dat groeit en weer uit elkaar valt een kracht uitoefenen?
“Een groeiende microtubule oefent een duwkracht uit. Het groeien gaat net zolang door totdat ze ergens tegenaan botsen dat zich niet opzij laat duwen. Dan kunnen er twee dingen gebeuren: ze vallen uit elkaar of ze worden vastgegrepen. Bijvoorbeeld door eiwitten die zich in het celmembraan bevinden. Dan wordt de microtubule gestabiliseerd en kunnen er stoffen die via het membraan binnenkomen langs de microtubule worden vervoerd. Maar stabiliseren wil niet zeggen dat er niets meer gebeurt in de microtubule, alleen gaat het krimpen veel langzamer waardoor de microtubule een tijdje op die plek blijft. En doordat het dynamische uiteinde nu wordt vastgehouden door een eiwit, terwijl de microtubule krimpt, ontstaat er een trekkracht. Dat zien we ook tijdens de celdeling. Speciale eiwitten op de chromosomen grijpen de groeiende microtubuli die in de buurt komen en houden die vast. Doordat de microtubuli vervolgens gaan krimpen, gaan ze aan de chromosomen trekken.”

Duwen en trekken de microtubuli altijd even hard?
“De kracht hangt af van de snelheid waarmee ze groeien of krimpen en die wordt onder andere beïnvloed door de hoeveelheid tubuline die beschikbaar is. Maar in een cel varieert die concentratie echter nauwelijks. De variatie in snelheid en kracht is er wel, maar daar zorgen andere eiwitten voor. Er zijn veel verschillende eiwitten die meehelpen bij het opwekken van de krachten. Bij het krimpen zorgen speciale motoreiwitten, zoals dyneïne, ervoor dat een krimpende microtubule wordt vastgehouden. Dat lukt ze doordat ze mee kunnen ‘lopen’ over de krimpende keten, terwijl ze ondertussen iets anders vasthouden dat ze meetrekken. Een sterk gebonden eiwit dat goed kan meebewegen zorgt voor een grotere trekkracht dan een eiwit dat snel moet loslaten.”

Hoe meet je een kracht van iets in oplossing dat extreem klein is en bovendien continu van omvang verandert?
“Dat begon met het meten aan geïsoleerde microtubuli, dus buiten de cel. Dat is mij in 1997 als eerste gelukt. Dankzij de vooruitgang in moleculair-biologische technieken was het mogelijk om een microtubule te isoleren en buiten de cel te laten functioneren. Dat heb ik toen gebruikt om een enkele microtubule in een minuscuul ‘kamertje’ te laten groeien. Zodra die tegen een wand botste, trad er vervorming op doordat de keten nog even doorgroeide. Door de verbuiging van de microtubule te analyseren, kon ik afleiden hoe groot de duwkracht van de microtubule was.”

“Veel later hebben we die opzet met een kamertje gebruikt om vanuit een centrosoom meerdere microtubuli naar de wanden te laten groeien. Daarmee konden we aantonen dat het duwen en trekken van de microtubuli ervoor zorgt dat het centrosoom altijd in het midden van de ruimte terechtkomt. Net als in een cel. Het cytoskelet speelt een belangrijke rol bij de ruimtelijke indeling van een cel.”

Maar in hoeverre is een vierkante ruimte met harde wanden typerend voor de situatie in een levende cel?
“Dat lijkt natuurlijk niet op een levende cel, maar door dit soort kleine stapjes komen we wel steeds dichterbij het begrijpen van deze basale processen.”

Je bent de trekker van het BaSyC consortium dat een synthetische cel wil ontwerpen en bouwen. Hoe past jouw eigen onderzoek hierin?
“Het doel is om een cel te bouwen die voorziet in z’n energiebehoeften, die DNA kopieert en afleest en die zich kan delen. Onze bijdrage zit in dat laatste. Wij zijn geïnteresseerd in de ruimtelijke organisatie van de cel; hoe komen en blijven alle onderdelen waar ze moeten zijn? Dat is heel relevant voor de celdeling, want dat proces kan alleen maar goed verlopen als alles precies op het juiste moment op de juiste plek zit.”

Wat gaan jullie concreet doen?
“We werken momenteel al aan systemen in microdruppeltjes, kleine belletjes met een vettige buitenlaag die meer lijken op echte cellen. In deze belletjes willen we een systeem bouwen dat de ruimtelijke organisatie van de celdeling nabootst. We brengen twee centrosomen in, want als de celdeling wordt opgestart maakt het centrosoom een kopie van zichzelf. Uit die centrosomen gaan de microtubuli groeien en we zijn benieuwd hoe die de afstand tussen die twee centrosomen controleren. Direct de krachten meten lukt niet, maar we zijn ook vooral geïnteresseerd in de krachtenbalans. Daarom nemen we de afstand tussen de centrosomen als parameter en kijken hoe die afstand verandert als we stapsgewijs verschillende eiwitten toevoegen waarvan we weten dat ze een rol spelen bij de celdeling. Welke combinatie van eiwitten zorgt voor welke organisatie, dat willen we weten. Dat gaan we meten en modelleren en dan weer aanpassen en experimenteel bekijken en zo hopen we gaandeweg een beeld te krijgen van wat het effect van de verschillende ‘spelers’ is.”

Wanneer ga je dit systeem combineren met de andere functies die je aan de synthetische cel wilt geven?
“Iedere groep werkt al lang aan ‘hun’ onderdeel of module en we zijn nu ver genoeg om de stap zetten naar een koppeling tussen de modules. Dat wordt heel spannend, want dan merk je pas echt of het werkt. Het kan heel goed zijn dat jouw module het geïsoleerd best aardig doet, maar in combinatie met een ander onderdeel veel minder goed presteert. Het is heel belangrijk dat we nu samen de koppeling doen en daarom zijn we ook met het BaSyC consortium gestart. We moeten een manier vinden om al die losse systemen samen goed te laten werken. Dat zal niet zonder slag of stoot gaan, maar dat is het pad dat we de komende tien jaar willen bewandelen. En dan merken we vanzelf of we iets over het hoofd hebben gezien of dat er nieuwe fundamentele vragen opduiken.”

Het lijkt me lastig om te zorgen dat het ook blijft werken, want er zullen vast problemen opduiken die een echte cel gewoon kan oplossen, maar hoe doet een synthetische cel dat?
“De vraag is inderdaad hoeveel back-up systemen je moet inbouwen om robuust te zijn, maar dat zien we gaandeweg wel. Eerst maar eens iets fragiels bouwen dat het een beetje doet.”

Dan gaan we al richting evolutie, als een systeem kan leren en oplossingen kan verzinnen.
“Evolutie willen we ooit ook nog wel inbrengen, maar dat is echt nog heel ver weg.”

Tot slot, je bent ook betrokken bij het Origins Center dat de oorsprong van het leven wil onderzoeken vanuit meerdere vakgebieden. Het lijkt nogal een sprong van een synthetische cel en onderzoek aan cytoskelet naar het allereerste leven.
“Over de naam van het centrum hebben we ongelooflijk veel discussie gevoerd, omdat het onderzoek veel breder is dan dat. Het programma omvat vijf onderzoekslijnen, waarvan de oorsprong van het leven er slechts een is, naast bijvoorbeeld de vraag hoe leven nu werkt. Origins slaat hier meer op grondslag of basis en minder op een aanduiding van tijd. Het gaat om de basisprincipes achter meerdere fenomenen die met leven te maken hebben.”