Zorgen voor balans lijkt heel verstandig, want als zaken in evenwicht zijn geeft dat vaak rust. Maar voor levende systemen, inclusief wijzelf, betekent die rust ook meteen het eind. Leven is een niet-evenwichtsproces. Om in leven te blijven is doorlopend energie nodig en dus een actieve stofwisseling. En die stofwisseling drijft alles wat leeft voort. Zodra een evenwicht wordt bereikt, treedt de dood in. Om te begrijpen welke processen het gevolg zijn van de stofwisseling, moet je weten of een proces in evenwicht is of niet. En dat is minder eenvoudig dan het lijkt.
Op moleculair niveau zijn er namelijk veel overeenkomsten tussen levende en niet-levende systemen. “In zowel levende cellen als in levenloze systemen zien we oneindig veel beweging op moleculair niveau”, zegt Fred MacKintosh, hoogleraar fysica van levende systemen aan de VU Amsterdam. “Moleculen bewegen, botsen en veranderen van vorm, er gebeurt van alles. We weten dat heel veel van die bewegingen willekeurig zijn. Of het systeem nou leeft of niet. Maar we weten ook dat in levende systemen een deel van die bewegingen niet willekeurig is. Deze bewegingen hebben een voorkeursrichting. Op moleculair niveau is dat al aangetoond, maar wij vroegen ons af of dat ook op een iets groter niveau, dat van cellen en weefsels, het geval is. Is er ook op het niveau van cellen sprake van een niet-evenwichtssituatie? Zien we ook hier een verschil tussen levende en niet-levende systemen?”
Sensoren op de cel
Deze vraag houdt de gemoederen al een tijdje bezig, aldus MacKintosh. “Het is nog steeds een van de grote vragen binnen de wetenschap: wat is het verschil tussen leven en niet-leven? Niet dat wij die vraag nu beantwoord hebben overigens, maar we hebben een methode ontwikkeld waarmee we op het niveau van cellen onderscheid maken tussen willekeurige en gerichte bewegingen. We hebben laten zien dat niet alleen op de moleculaire schaal de balans is verstoord, maar ook op de microschaal zien we duidelijk gerichte bewegingen in levende systemen.”
Dat ‘zien’ mag je letterlijk nemen. De nieuwe techniek gebruikt standaard lichtmicroscopen en camera’s om de bewegingen te bekijken en te filmen. Vervolgens wordt met een nieuw ontwikkelde statische analyse van de filmbeelden bepaald of deze bewegingen een voorkeursrichting vertonen.
MacKintosh en collega’s filmden onder meer de bewegingen van primaire cilia op niercellen. Dit zijn haarvormige uitstulpingen aan de buitenkant van de cel die als sensoren werken en allerlei signalen oppikken uit de omgeving. Zo’n cilium beweegt continu en die bewegingen lijken volstrekt willekeurig. Maar om te begrijpen hoe zo’n sensor precies werkt is het belangrijk om te weten of die bewegingen echt willekeurig zijn of dat ze worden aangedreven door de stofwisseling.
Buiging en vervorming
MacKintosh: “Wij hebben gekeken naar de hoek waaronder een cilium buigt tijdens de beweging en de vervorming die dan optreedt. Als er sprake is van willekeurige beweging en je meet over een voldoende lange tijdsschaal, dan wordt iedere beweging naar links gecompenseerd door beweging naar rechts, om het eenvoudig te stellen. Maar die balans was niet aanwezig. We zagen duidelijk een voorkeursrichting in de manier waarop de cilia bewogen en daarmee weten we dat de stofwisseling deze bewegingen aanstuurt.”
Ook op het niveau van cellen is een levend systeem dus niet in evenwicht. “Dat is de doorbraak van dit onderzoek; dat we ook op dit niveau een verschil tussen leven en niet-leven aantonen. En dat met een methode waar je geen geavanceerde apparatuur voor nodig hebt. We werken met lichtmicroscopen die al tientallen jaren gangbaar zijn. De meeste labs hebben dit gewoon in huis. Om eerlijk te zijn is onze techniek beschamend eenvoudig.”