Snel of langzaam signaal? Eenvoudige gel ziet het verschil

Voor levende cellen is er nooit een moment van rust. Ze ontvangen doorlopend signalen die ze moeten verwerken. Signalen die aangeven dat het tijd is om te gaan delen, dat er meer van een bepaald eiwit moeten worden gemaakt of dat de stofwisseling even op een laag pitje moet. Het vermogen van cellen om signalen om te zetten in een actie is een belangrijke inspiratiebron voor onderzoekers die werken aan ‘slimme’ materialen. Dat zijn materialen die hun eigenschappen aanpassen als antwoord op signalen vanuit de omgeving, zoals licht, temperatuur of luchtvochtigheid.

Inmiddels zijn er veel voorbeelden van materialen die reageren op externe signalen en – heel belangrijk – ook weer terugkeren naar hun oorspronkelijke staat als het signaal er niet meer is. Ze kunnen bijvoorbeeld vervormen als er licht op schijnt, snel verstijven bij hogere temperatuur of van kleur veranderen als eraan getrokken wordt. Om zo dicht mogelijk bij de natuurlijke voorbeelden te blijven, werken onderzoekers meestal met zachte materialen op basis van een hydrogel. Dat is een netwerk van lange moleculen dat veel water kan opnemen en zo een flexibel en elastisch, maar tegelijkertijd stevig materiaal vormt.

Actief medium

Toch komen deze slimme hydrogels nog lang niet in de buurt van het vernuft van een levende cel. “Hydrogels zijn in deze vorm vooral een passief medium. Ze reageren wel, maar die reactie vervult verder geen eigen functie in het verwerken van het signaal”, zegt Peter Korevaar, universitair docent fysische-organische chemie aan de Radboud Universiteit. “Maar leven werkt juist in een actief medium. Een levende cel reageert niet alleen, maar beweegt ook mee door op te zwellen of te krimpen en dat bewegen heeft een duidelijke functie. Daarom wilden wij processen inbouwen in een actieve hydrogel, een gel die meedoet en een mechanische activiteit vertoont die ook iets zegt over het signaal dat is binnengekomen.”

De signalen waar levende cellen op reageren zijn stoffen zoals hormonen of suikers. Ook kleine geladen deeltjes zoals natriumionen uit zout kunnen een signaal zijn. Maar in een cel gebeurt altijd heel veel tegelijk en veel signaalstoffen hebben meerdere functies in verschillende processen, waardoor simpelweg de aan- of afwezigheid van een stof niet zoveel zegt. De cel registreert daarom niet alleen of een stof aanwezig is of niet, maar ook of de concentratie van de stof stijgt of daalt en vooral hoe snel die verandering gaat. Ook als het om dezelfde signaalstof gaat, kan het een enorm verschil maken of de concentratie geleidelijk of juist heel snel toe- of afneemt. Voor de cel zijn dat verschillende signalen, die om verschillende reacties vragen.

Koper en waterstof

Korevaar en collega’s uit de onderzoeksgroep van materiaalwetenschapper Joanna Aizenberg van Harvard University laten nu zien dat ook een eenvoudige, veelgebruikte hydrogel in staat is om, zoals dat heet, complex gedrag te vertonen. De signalen waarop deze gel reageert zijn waterstofionen (H⁺), die vrijkomen als je een zuur toevoegt, en koperionen (Cu²⁺) die zorgen voor een blauwe kleur. De gel is gemaakt van polyacrylzuur, lange ketens met daarin carboxylgroepen, COOH. Dat betekent een koolstofatoom, C, met daaraan twee zuurstofatomen, O, en een waterstofatoom, H, aan een van de zuurstofatomen. Onder neutrale condities, met gewoon water, is de gel opgezwollen. De H’s laten los en er ontstaan COO^– groepen, dus met een negatieve lading.

Als aan deze gezwollen gel een oplossing met de koperionen wordt toegevoegd, gaat iedere Cu²⁺ met z’n twee positieve ladingen plakken aan twee COO^– groepen. Het gevolg is dat de verschillende ketens hierdoor naar elkaar toe worden getrokken: de gel krimpt. Dat is op zich niet opzienbarend, gels die krimpen onder invloed van een signaal zijn al bekend. Maar in dit geval houdt het effect aan, ook als de koperoplossing wordt weggespoeld, blijven de koperionen in de gel plakken die daardoor samengetrokken blijft. Totdat er een volgend signaal arriveert.

De samengetrokken, blauwe gel blijkt nog steeds in staat om te reageren op verandering. Een zure oplossing, met vrije H⁺ ionen zet de boel in beweging. De H⁺ willen ook graag plakken aan de COO^– groepen in de gel en dat zorgt voor een competitie met de al aanwezige Cu²⁺ ionen. Positief en negatief geladen ionen kunnen stevig plakken, maar ze zitten nooit onverbrekelijk vast. Het is een doorlopend proces van plakken en loslaten en weer plakken enzovoort. Zodra een Cu²⁺ even loslaat biedt dat kansen voor een H⁺ om die plek in te nemen.

Zwellingsgolf

Deze strijd zorgt voor verschillende effecten. Als er in een klap heel veel zuur van één kant wordt toegevoegd, is er daar een overmaat aan H⁺ die razendsnel de koperionen verdringen. De ongebonden koperionen kunnen nergens meer heen, behalve dan naar buiten, de gel uit. Dat zorgt meteen voor meer water dat van buiten naar binnen komt, waardoor lokaal de gel even weer opzwelt. De frontlinie van de strijd tussen H⁺ en Cu²⁺ is te volgen door naar de zwellingsgolf te kijken die door de gel trekt.

Wordt echter de zure oplossing heel geleidelijk toegevoegd dan is er geen sprake van een heftige botsing. Er is wel competitie tussen waterstof en koper, maar nu is er voor de koperionen meer gelegenheid om een nieuw plekje te zoeken in de gel. Ze schuiven als het ware iets op, weg van het aankomende zuurfront naar delen van de gel waar de H⁺-en nog niet zijn gearriveerd. Ook dit is te zien aan de gel. Nu ontstaat er geen zwellingsgolf, maar een verschuivend kleurfront. Waar de Cu²⁺ verdwijnt, verdwijnt ook de blauwe kleur.

Korevaar: “Onze hydrogel registreert het verschil tussen een snelle en langzame concentratieverandering en vertaalt dat in een verschillende respons. Bij mijn weten is dat nog niet eerder vertoond. Een snelle verandering zorgt voor een zwellingsgolf, terwijl bij een langzame verandering de kleur verschuift. De manier waarop de gel reageert, vertelt dus iets over de aard van het signaal.”