Bij ‘ruis’ denk je aan dat sneeuwbeeld op de televisie als er geen ontvangst is. Maar ook in alle levende cellen is sprake van ruis. Niet in een patroon van zwart en witte stippen, zoals op tv, maar in de vorm van onzekerheden in het verloop van biochemische reacties.
Scheikundigen van de Radboud Universiteit, onder leiding van Wilhelm Huck, ontdekten samen met hun collega’s uit Eindhoven en Parijs waar de ruis in cellen vandaan komt. Ze laten zien dat de stroperige vloeistof in de cel de oorzaak is van kleine verschillen tussen reacties in cellen. De bevindingen staan deze week in Nature Nanotechnology.
Ruis
Willekeurige verschillen tussen cellen noemen onderzoekers dus ruis. Cellen huisvesten enorm veel verschillende Molecuul , zoals DNA en Eiwit . Omdat er zoveel verschillende moleculen zijn, komt elke soort molecuul door gebrek aan ruimte maar heel weinig voor. Of een bepaalde reactie gaat plaatsvinden, is een kansproces. En daar krijg je ruis van.
Een voorbeeld. Het tot uiting brengen van genen is zo’n kansproces. Voor het aanzwengelen van een gen zijn Enzym nodig. Maar als er niet genoeg enzymen voorhanden zijn, blijft het gen stilliggen. Het kan zijn dat de concentratie enzymen van een buurcel wel net hoog genoeg is om het gen af te schrijven. Zo kan het bijvoorbeeld gebeuren dat de ene bacterie wel dood gaat van antibiotica maar de andere niet, ook al zijn ze genetisch helemaal hetzelfde.
Stroperig
Tot nu toe was het een raadsel waar die onderlinge verschillen in concentraties stofjes dan precies door kwamen. Volgens de onderzoekers zou het weleens kunnen liggen aan de omgeving waarin reacties plaatsvinden. In een verdunde vloeistof kunnen moleculen zich snel verplaatsen, in een dikkere vloeistof worden ze vertraagd. Het idee is dat er in een waterige vloeistof minder ruis is.
Om dat te onderzoeken stopten de scheikundigen kleine beetjes DNA-moleculen in honderden minuscule waterdruppeltjes. Die druppels bootsten de inhoud van een cel na. De DNA-moleculen codeerden voor een geel en voor een blauw fluorescerend eiwit. De onderzoekers maten na een tijdje hoeveel blauw en hoeveel geel eiwit er in elke druppel zat. Het verschil in blauw en geel eiwit tussen de druppeltjes was een maat voor de ruis.
Ze herhaalden hun experiment een paar keer, waarbij de omgeving waarin de DNA-moleculen drijven elke keer geleidelijk werd veranderd, van waterig naar steeds stroperiger. Wat bleek? De ruis tussen de druppels was het grootst als de vloeistof eenzelfde stroperigheid had als een echte cel.
Hotspots
Voor chemische reacties is zo’n stroperige omgeving eigenlijk heel ongewoon: moleculen worden sneller gemaakt dat dat ze weg kunnen drijven. Dat gebeurde ook in de druppels.
Het DNA-molecuul werd overgeschreven naar mRNA, een molecuul dat later vertaald wordt naar eiwit. De aanmaak van mRNA ging sneller dan dat mRNA weg kon drijven. Op die manier ontstaan er op sommige plaatsen in de cel hotspots van bepaalde moleculen. En dat leidt tot ruis. Het is dus een samenspel van de snelheid van een reactie en de omgeving waarin die reactie plaatsvindt, die bepaalt hoeveel ruis er is.
Synthetische cel
Het is een belangrijke ontdekking, volgens Maike Hansen, eerste auteur van het artikel. “Ten eerste omdat we willen begrijpen waarom cellen onderling verschillen. Hoe kan het dat de ene bacterie resistent is tegen antibiotica en de andere niet, terwijl de basisinformatie in hun DNA identiek is? Dat kan liggen aan de kleine verschillen die wij in deze studie gemeten hebben”, reageerde Hansen in een persbericht over het onderzoek.
“Daarnaast is het ons doel om ooit een synthetische cel te kunnen maken in het lab. Dan moeten we alle details van cellen en hun reacties begrijpen. En nu weten we dus bijvoorbeeld al dat de viscositeit in een cel van groot belang is.”
Bron:
Maike M. K. Hansen ea. Macromolecular crowding creates heterogeneous environments of gene expression in picolitre droplets. Nature Nanotechnology. Online publicatie op 26 november 2015.