Je leest:

Spontaan vormende vezeltjes groeien en delen

Spontaan vormende vezeltjes groeien en delen

Kunstmatige druppeltjes worden vervormd en in tweeën gesplitst door groeiende vezeltjes

Auteur: | 25 juli 2018

Nijmeegse chemici wilden bestuderen hoe een eiwit een bacterie tijdens de celdeling kan afknijpen zodat twee nieuwe cellen ontstaan. Maar de resultaten leveren aanknopingspunten om te begrijpen hoe ooit het allereerste leven kan zijn ontstaan.

Stars
Deze ‘sterretjes’ ontstaan doordat eiwitten in de groene druppeltjes zichzelf gaan ordenen tot langere strengen die de druppeltjes vervormen. Een mooi voorbeeld van zelfassemblage.

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.

Spruijt video 2 full bc
De druppeltjes bevatten een lichtgevend groen eiwit om ze zichtbaar te maken. De brandstof hoopt zich ook op in de druppeltjes en daardoor is de groei en het splitsen van de vezeltjes goed zichtbaar.

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

Spruijt vezelsplit
Een splitsend vezeltje. Aan de uiteinden wordt de brandstof sneller verbruikt en daar groeit de vezel, maar in het midden is er geen brandstof meer beschikbaar. De vezel breekt.

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 schema polymerisatie
Zodra GTP bindt aan FtsZ begint de vezelvorming. Meerdere GTP-FtsZ combinaties plakken aan elkaar zodat lange strengen ontstaan. Maar FtsZ verbreekt na verloop van tijd een binding in het GTP-molecuul, waardoor de energie vrijkomt en de batterij opraakt. GTP verandert in GDP (guanosine difosfaat, ofwel GTP minus een fosfaatgroep) en daardoor kan het eiwit niet meer aan de andere eiwitten gebonden blijven. De streng valt uit elkaar in losse GDP-FtsZ combinaties. Maar zolang er GTP beschikbaar is, kan die de plaats van een GDP innemen en kan het hele proces van vezelvorming weer opnieuw beginnen.

De vezeltjes groeien dankzij de toevoer van GTP (guanosinetrifosfaat), een molecuul dat werkt als een soort energiedrager of oplaadbare batterij. “De cruciale rol van GTP hebben we aangetoond door de aanvoer te variëren. Als er geen GTP is, gebeurt er niets. Hoe meer GTP er beschikbaar is, hoe langer de vezels worden. Dit laat zien dat het proces echt wordt gedreven door de energietoevoer”, benadrukt Spruijt. Bovendien kan het proces niet terug, als de vezels uit elkaar vallen kunnen die zich niet opnieuw vormen zonder aanvoer van GTP. Er is geen sprake van een evenwicht en dat is ook een essentieel kenmerk van de processen in levende cellen. Die zijn ook niet in evenwicht, maar worden in een bepaalde richting geduwd.

Het allereerste leven

Het ziet er allemaal heel fascinerend uit, zo’n niet-levend geheel dat toch kenmerken van leven vertoont, maar wat vertelt ons dit nou eigenlijk? In de publicatie wijzen Spruijt en collega’s op het belang van dit onderzoek voor de ontwikkeling van nieuwe, slimme materialen die kunnen reageren op signalen uit de omgeving. Maar Spruijt denkt veel liever in een heel andere richting, zo blijkt. Namelijk aan het ontstaan van het allereerste leven.

“Als we dit systeem helemaal synthetisch kunnen maken, dus zonder een eiwit als FtsZ, op basis van relatief eenvoudige, kleine moleculen, dan krijg je iets wat wellicht ooit gebeurd kan zijn in de aanloop naar het ontstaan van het allereerste leven. Dat is waar we naar zoeken, een systeem waarmee je laat zien hoe een soep van losse moleculen is overgegaan naar een systeem dat energie verbruikt en daarmee zichzelf voortdrijft.”

Spruijt schematisch
Schematische weergave van de groei van de vezels en het uitrekken van de groene druppeltjes.
E. Spruijt, RU

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.”

Bron:

Esra te Brinke, Joost Groen, Andreas Herrmann, Hans A. Heus, Germán Rivas, Evan Spruijt en Wilhelm T.S. Huck, Dissipative adaptation in driven self-assembly leading to self-dividing fibrils, Nature Nanotechnology (2018), doi:10.1038/s41565-018-0192-1

Michael J. Monteiro, Order from disorder through dissipation of free energy, News&Views, Nature Nanotechnology (2018), doi:10.1038/s41565-018-0220-1

Alexandre W. Bisson-Filho, Yen-Pang Hsu, et al., Treadmilling by FtsZ filaments drives peptidoglycan synthesis and bacterial cell division, Science (2017), doi:10.1126/science.aak9973

Jeremy L. England, Dissipative adaptation in driven self-assembly, Perspective, Nature Nanotechnology (2015), doi:10.1038/nnano.2015.250

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 juli 2018

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.