Minuscule krachten in biologische cellen gemeten

Cellen in levende wezens zijn geen vormeloze zakjes met eiwitten, maar goed georganiseerde dynamische structuren. Een belangrijke rol daarin spelen microtubuli, tamelijk stevige buisjes die zijn opgebouwd uit tubuline-eiwitten. De buisjes hebben een doorsnede van 25 nanometer (25 miljoensten van een millimeter) en blijken maximaal zo'n 0,1 millimeter lang. Ze liggen nooit stil en kunnen schakelen tussen groeien en krimpen. Door ergens tegenaan te groeien kunnen ze een duwkracht uitoefenen. Deze kracht wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het delen van cellen. Ook kunnen microtubuli ervoor zorgen dat een celkern min of meer in het centrum van de cel blijft liggen en niet ergens in een hoek belandt.

Aan het uiteinde van een microtubule hechten zich voortdurend tubuline-eiwitten en er vallen ook voortdurend tubuline-eiwitten af. Normaal gesproken overheerst aanhechting; de microtubule groeit. De aanhechtingssnelheid wordt bepaald door de aanwezige concentratie aan tubuline-eiwitten. Met behulp van manipuleringstechnieken die in de atoomfysica zijn ontwikkeld, kunnen natuurkundigen tegenwoordig de uiterst kleine krachten meten die in bijvoorbeeld de cel aan de orde zijn. Dr. Marcel Janson, drs. Mathilde de Dood en prof.dr. Marileen Dogterom, allen verbonden aan het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, hebben een methode ontwikkeld om microtubuli onder gecontroleerde omstandigheden te laten groeien. Zo kunnen ze groeisnelheden bepalen en ook de groeiduur van microtubuli. In experimenten waarin ze microtubuli tegen kunstmatige microwandjes laten aangroeien, kunnen ze de kracht meten waarmee de buisjes tegen zo'n wandje groeien. Als een microtubule een dergelijk wandje raakt, is de hechtingsdrang van de tubuline-eiwitten zo groot dat ze de buisjes buigen om toch een plek te vinden. De buiging van een buisje is dan een maat voor de kracht waarmee het tegen het wandje groeit. De duwkracht blijkt een maximum van rond 10 piconewton te hebben (een piconewton is ongeveer het gewicht van een enkele rode bloedcel in lucht; een druppel bloed bevat al 500 miljoen van zulke cellen). Bij een nog grotere kracht weten zich zo weinig tubuline-eiwitten meer te hechten dat de groei effectief tot stilstand komt. Het uiteinde van de microtubule verandert hierdoor versneld van structuur, met als gevolg dat het afvallen van tubuline-eiwitten sterk gaat overheersen. Het buisje gaat krimpen. Bij hoge krachten schakelt de microtubule tot wel 20 keer zo snel om als zonder kracht. Uit de metingen blijkt dat ook lage krachten tot krimp leiden, maar minder dramatisch. Het mechanisme waarmee kracht krimp oproept blijkt relatief eenvoudig. Uit vergelijkende experimenten bleek dat de verlaging van de aanhechtingssnelheid van tubuline-eiwitten die onder kracht optreedt, voldoende is om het effect van krimpen te verklaren.

Eerder al was aangetoond dat gespecialiseerde eiwitten in levende cellen krimp versnellen. De experimenten aan modelsystemen bij AMOLF hebben nu laten zien dat kracht een alternatieve factor is die het gedrag van microtubuli beïnvloedt. Experimenten die recent bij de Columbia University in New York aan levende cellen zijn uitgevoerd, tonen aan dat krachtregulatie ook daar optreedt en mogelijk gebruikt wordt als een belangrijk organiserend mechanisme in de cel. Microtubuli reageren waarschijnlijk ook op krachten die door centrosomen, moleculaire motors of andere actieve microstructuren in cellen worden uitgeoefend.

Het gedrag van microtubuli en tal van andere onderdelen van de cel is nog verre van begrepen. Dit soort experimenten maakt het mogelijk betrouwbare natuurkundige modellen op te stellen over krachten en andere factoren die op de schaal van de cel een rol spelen. De inbreng van natuurkundigen in biologisch geïnspireerd onderzoek is overal in de wereld snel aan het toenemen. Bij AMOLF groeit het aantal onderzoekers dat aan dit soort onderwerpen werkt, sterk. Over een jaar of drie zal de helft van alle onderzoek op AMOLF zich met processen in levende systemen bezighouden.