AMOLF-onderzoekers maken zelf-vervormende cel-gel na
Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF en de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) hebben een kunstmatige kopie gemaakt van de spierachtige gel die in menselijke cellen zit. Tot hun verrassing ontdekten ze dat een gel met te veel motormoleculen, die zorgen dat de gel kan samentrekken, overactief raakt en zichzelf uiteenrijt. Deze vondst werpt mogelijk een licht op problemen die kunnen voorkomen tijdens embryo-ontwikkeling. Het onderzoek verscheen op 11 augustus in Nature Physics.
Dankzij een actieve gel die in al onze lichaamscellen zit, kunnen cellen zichzelf voortbewegen en delen. De gel, die bekend staat als het cytoskelet, bestaat uit een netwerk van eiwitvezels dat zichzelf kan samentrekken als een spier. De onderzoekers hebben zo'n netwerk nagebouwd op basis van drie componenten: de eiwitvezels, lijmmoleculen die de gel bijeen houden en moleculaire motoren die aan de vezels trekken.
Dat het cytoskelet deze drie componenten bevat, was al langer bekend. De moleculaire motor-eiwitten verbranden chemische energie en gebruiken deze om actief aan de eiwitvezels te trekken. De lijmmoleculen, ook wel crosslink-eiwitten geheten, verbinden de vezels tot een samenhangend netwerk.
Tot nu toe was de precieze rol van deze crosslink-eiwitten bij celmigratie en celdeling echter onduidelijk. Onderzoekers uit de AMOLF-groep van prof.dr. Gijsje Koenderink vermoedden dat de crosslinks nodig zijn om de krachten die de motoren uitoefenen over de hele gel te verdelen. Om hun idee te testen, bouwden ze een simpele versie van de gel na in het lab: met myosine als motor-eiwit, actine als gelvezels en fascine als crosslinks.
Van reageerbuis naar computermodel
De onderzoekers ontdekten dat de juiste balans tussen de drie componenten essentieel is voor een stabiele gel. Een gel met te weinig crosslinks vormt geen netwerk – dus beneden deze kritieke concentratie kunnen de motoren de gel ook niet samentrekken. Daarentegen zal een crosslinks-concentratie die nét groot genoeg is om een netwerk te vormen, leiden tot een overactief netwerk dat zichzelf uiteenrijt. Alleen een opvallend hoge concentratie van de lijmmoleculen kan voorkomen dat de gel zichzelf aan stukken scheurt, en zo garanderen dat het zich netjes als een spier samentrekt.
Bestaande fysische modellen voorspellen dat gels zichzelf alleen op het kritische punt kapottrekken, waarop net voldoende crosslinks aanwezig zijn om van de vezels een samenhangend netwerk te maken, maar waarbij de trekkende motoren deze verbindingen weer spoedig verbreken. In het lab ontdekten de onderzoekers echter dat ook meer verbonden netwerken, die het kritische punt ver voorbij waren, uiteen vielen.
Om te achterhalen hoe het mogelijk is dat actieve gels zich anders gedragen dan verwacht, werkten de onderzoekers van AMOLF samen met de theoretische-fysica-groep van prof.dr. Fred MacKintosh aan de VU. De fysici maakten een computersimulatie van de actieve gel en ontdekten zo dat de motor-eiwitten de crosslinks actief lostrekken. Hierdoor verliezen de netwerken geleidelijk aan hun verbindingen, totdat ze het kritieke punt bereiken waarop ze uiteenscheuren.
Zelf-brekende netwerken in de biologie
Deze bevindingen kunnen verschillende biologische verschijnselen verklaren die zijn waargenomen tijdens de vorming van organen in embryo's. Tijdens de orgaanvorming trekken cellen die verbonden zijn aan een laag aan de buitenkant van het embryo allemaal tegelijkertijd samen. Recent ontdekten biologen dat deze laag in fruitvliegembryo's spontaan kan breken als de cellen onvoldoende sterk met elkaar verbonden zijn. Het nieuwe model dat de AMOLF- en VU-onderzoekers hebben ontwikkeld, kan precies verklaren waarom dergelijke defecten optreden. Uiteindelijk hopen de onderzoekers dat deze nieuwe inzichten zullen helpen om ontwikkelingsfouten te voorkomen.
Van slimme materialen tot robots
"Het werk aan de biologische gels kan ook leiden tot zogeheten slimme materialen, die zelfstandig van vorm kunnen veranderen", zegt Koenderink. "Biologische gels kunnen bijvoorbeeld worden ingezet om beschadigde weefsels of organen te repareren. Daarnaast zouden synthetische actieve gels gebruikt kunnen worden om robots te bouwen die zelf van vorm kunnen veranderen. Jose Alvarado, de AMOLF-promovendus die de eerste auteur is van het onderzoek, zal die laatste toepassing na de zomer gaan testen aan het Massachusetts Institute of Technology, in de onderzoeksgroep van prof.dr. Peko Hosoi."
Zowel Koenderink als Alvarado zijn gefinancierd door een Vidi-subsidie van NWO.
Referentie
José Alvarado, Michael Sheinman, Abhinav Sharma, Fred MacKintosh, Gijsje Koenderink. Molecular motors robustly drive active gels to a critically connected state. Nature Physics (2013)
Contact
Prof.dr. Gijsje Koenderink, +31 (0)20 754 71 00
Homepage http://www.amolf.nl/research/biological-soft-matter/