Groeiproces van microbuisjes in cellen

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 (zie ook Motoreiwitten met vereende krachten aan het werk in cel). De buisjes hebben een doorsnede van 25 nanometer en blijken maximaal zo'n 100.000 nanometer lang. Ze ontstaan doordat tubulinedimeren van acht nanometer lang aaneengroeien tot langgerekte protofilamenten, die zich op hun beurt in de lengterichting aan elkaar hechten. Op deze manier vormen gemiddeld dertien van die filamenten een langgerekte holle buis, de microtubule. Deze buizen liggen nooit stil, en kunnen schakelen tussen periodes van groei en periodes van krimp. Wanneer ze ergens tegenaan groeien oefenen ze een drukkracht uit. Deze kracht wordt bijvoorbeeld gebruikt om celkernen op hun plaats te houden of bij het delen van cellen. De hechtingsdrang van de tubulines is zo groot dat ze, als er te weinig ruimte is, buigen zodat ze toch een plek kunnen krijgen. Het resultaat is dat de microtubule als geheel krom gaat staan. De buiging van de buisjes is een maat voor de duwkracht die ze uitoefenen. De duwkracht blijkt uit eerdere metingen op AMOLF een maximum van rond de 10 piconewton te hebben (dat komt bijvoorbeeld overeen met de kracht die een rood bloedlichaampje door zijn massa uitoefent). Boven de 10 piconewton laten, zelfs in een groeiperiode, meer eiwitten van het buisuiteinde los dan er nieuwe aan vast kunnen plakken. Als de buis tijdens het groeien veel kracht moet uitoefenen, schakelt hij daardoor tot wel vijftig keer sneller over naar een periode van krimp. De eiwitten vallen plotseling heel snel van het uiteinde van de buis af. Dat proces wordt gestuurd door hydrolyse van een molecuul dat aan de tubulinedimeer zit. Hierdoor wordt de microtubule onstabiel en zet krimp in.

Over de invloed van kracht op de groei van microtubuli is veel theoretisch werk gedaan, maar experimentele waarnemingen zijn er nog maar heel weinig. Metingen van dr. Marcel Janson en prof.dr. Marileen Dogterom van AMOLF hebben nu experimenteel bevestigd dat tijdens de groeifase het vastplakken van eiwitten direct samenhangt met de kracht die de buisjes op obstakels in hun omgeving moeten uitoefenen, maar dat het loslaten van eiwitten in het geheel niet afhankelijk is van kracht. De waarnemingen van Janson (tegenwoordig verbonden aan de Universiteit van Pennsylvania in de Verenigde Staten) en Dogterom leveren steun voor een gangbaar model dat het gedrag van microtubuli en ook de eiwitmotor actine beschrijft als een Browns tandwiel. De Engelse botanicus Robert Brown beschreef in 1827 voor het eerst de willekeurige bewegingen die micro-organismen in een vloeistof maken en die, zoals Albert Einstein in 1905 theoretisch liet zien, het gevolg zijn van de willekeurige bewegingen die vloeistofmoleculen als gevolg van hun temperatuur altijd maken. Deze bewegingen kunnen, als er een weerstandskracht in het spel is, leiden tot een soort sprongsgewijze beweging, het Brownse tandwiel. Dit mechanisme kan ook een rol spelen in zogeheten moleculaire motors en staat daarom momenteel volop in de belangstelling van de nanowetenschappen.

Meer informatie bij prof.dr. Marileen Dogterom, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica, telefoon (020) 608 12 34.