Spontaan vormende vezeltjes groeien en delen

Als wij iets maken is er een duidelijk verschil tussen datgene wat is gemaakt en de maker. In de natuur is dat onderscheid veel minder scherp. Of het is er helemaal niet, want veel materialen en onderdelen van levende cellen, maar ook grotere structuren zoals weefsels en organen, bouwen zichzelf.

Dit proces heet zelfassemblage. De bouwstenen reageren op bepaalde signalen uit de omgeving en gaan vervolgens aan elkaar plakken, zodat een groter geheel ontstaat. Voor chemici is zelfassemblage heel aantrekkelijk, omdat je daarmee – zo is althans de hoop – nieuwe materialen vanaf het kleinste niveau, de moleculen, heel precies in elkaar kunt zetten. Nou kunnen chemici al best aardig grotere structuren laten ontstaan door zelfassemblage. Maar het is niets vergeleken bij wat de cel presteert.

Krioelende dingetjes

In de cel vinden tegelijkertijd meerdere van dit soort processen plaats die soms ook elkaar beïnvloeden. Wanneer en waar die zelfassemblages plaatsvinden is ook strikt gecontroleerd. Een cel maakt alleen iets op het juiste moment en op de juiste plaats. Chemici zoals Evan Spruijt en Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit Nijmegen willen die trucs ook graag beheersen. In het tijdschrift Nature Nanotechnology publiceerden hun onderzoeksgroepen een systeem van kunstmatige druppeltjes waarin spontaan zelfassemblerende vezeltjes de druppeltjes helemaal vervormen en uitrekken.

De vezeltjes splitsen bovendien in tweeën, waarna ieder nieuw stukje vrolijk verder groeit. Als je naar de opnames kijkt lijkt het alsof je naar een hoop krioelende rupsjes of larfjes kijkt. Of in ieder geval naar iets dat leeft. Alles beweegt en groeit en deelt zich, zodat er ‘nakomelingen’ ontstaan. Wat gebeurt hier?

“Dat vroegen wij ons ook af toen we dit voor het eerst zagen”, vertelt Spruijt. De grote lijn in het onderzoek van Spruijt en zijn groep is dat ze proberen aspecten van leven na te bouwen in synthetische (door de mens gemaakte) systemen. Een van hun inspiratiebronnen is de celdeling in bacteriën, waarbij het eiwit FtsZ via zelfassemblage een ring vormt die de bacteriële cel precies in het midden afknijpt. Hierdoor ontstaan twee nieuwe cellen.

Wilde gok

Om te bestuderen hoe FtsZ dat doet, besloten ze het eiwit in een eenvoudige omgeving te bestuderen, dus zonder alle andere eiwitten die normaal in de cel dit proces aansturen en controleren. “We kozen voor een systeem met eenvoudige druppeltjes die FtsZ kunnen opnemen, om te zien of het eiwit dan ook een ring vormt om zo’n druppeltje af te knijpen. Dit experiment was best een wilde gok, gewoon proberen en kijken wat er gebeurt. Dat bleek tot onze verrassing iets heel anders te zijn dan we hadden verwacht.”

Uit eerdere experimenten van de groep van Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft was gebleken dat FtsZ geen vaste ring vormt tijdens de celdeling, maar een dynamische structuur van groeiende en weer uiteenvallende filamenten (‘vezeltjes’) die samen iets vormen wat werkt als een afknijpende ‘ring’. Dergelijke filamenten ontstonden dus ook in het Nijmeegse experiment, maar de manier waarop dit proces van vorming verloopt maakt het heel interessant, aldus Spruijt.

“We laten zien dat het hier om een zogeheten dissipative systeem gaat. Dat betekent dat het proces continu energie verbruikt en dat door die energietoevoer een reactiestap wordt gezet die onomkeerbaar is. Zolang er brandstof beschikbaar is, drijft het systeem zichzelf voort in die richting. Het kan niet meer terug.” En dat is precies hoe levende cellen ervoor zorgen dat er aandrijvende krachten ontstaan en dat er ‘arbeid’ kan worden verricht. Zodat een cel een proces als celdeling kan uitvoeren. Of zichzelf kan vervormen zodat beweging mogelijk wordt.

Spruijt schetst hoe hij dat voor zich ziet. “Stel, je hebt een oplossing met verschillende moleculen en er zijn twee reacties die energie verbruiken en die reacties zijn onomkeerbaar. Een reactie verloopt heel snel en de andere langzaam. Dan wint de snelle reactie en gaat het systeem dus die kant op. Dat zien wij ook in onze druppeltjes. De uiteinden van de vezels verbruiken de beschikbare brandstof het snelst, want daar kunnen steeds nieuwe FtsZ eenheden het makkelijkst worden aangevoerd en die laten niet meer los nadat ze aan de vezel zijn gebonden. Zo krijgt het geheel een richting, de vezels groeien alleen aan de uiteinden, terwijl in het midden minder brandstof beschikbaar is, waardoor ze daar breken.”

Uit een relatief eenvoudig mengsel ontstaat zo een zichzelf voortdrijvend systeem, waarin de reacties en processen steeds in dezelfde richting verlopen. Spruijt: “Het principe achter zo’n systeem zou wel eens de missing link kunnen zijn tussen de levenloze wereld waarin chemische reacties in evenwicht zijn en de eerste vormen van leven die mogelijk werden doordat ze juist uit evenwicht konden blijven.”