Liftende koolstof nanobuisjes onthullen hoe cellen zichzelf roeren
Binnen een onderzoeksproject dat Stichting FOM mede-financiert, heeft een internationaal team van biofysici van de Vrije Universiteit Amsterdam, de Georg-August Universität Göttingen en chemisch technologen van de Rice University individuele moleculen in levende cellen gevolgd. Zij gebruikten daarvoor koolstof nanobuisjes die fluorescerend licht uitzenden. De onderzoekers ontdekten dat cellen hun inhoud 'roeren'. Dat roeren is het werk van motoreiwitten die ook een rol spelen bij spiersamentrekking. Het onderzoek is op 30 mei gepubliceerd in Science.
Het onderzoek werpt nieuw licht op biologische transportmechanismen in cellen. Het team ontwikkelde een nieuwe methode waarmee ze individuele moleculen binnen het cytoplasma van levende cellen volgden. Ze maakten extreem dunne koolstof nanobuisjes vast aan transportmoleculen in de cellen. Deze liftende nanobuisjes bestaan uit wanden van één koolstofatoom dik. Doordat ze fluorescerend licht uitzenden, dienen ze als kleine bakens die aan het molecuul vastzitten. De onderzoekers kunnen het molecuul vervolgens gedurende een lange tijd nauwkeurig volgen, om zo de bewegingen binnen de cel te onderzoeken.
Roerende cellen en samentrekkende spieren
Met behulp van deze nieuwe onderzoeksmethode bestudeerden de onderzoekers het transport in het binnenste van de cel. Voor lange-afstand-transport gebruiken cellen meestal motoreiwitten die ze verbinden met vet-vesikels, een soort blaasjes die dienen als de 'transportbakken' van de cel. Een voorbeeld hiervan is het transport van eiwitten langs de lange axonen van zenuwcellen. Bij dit proces komt aardig wat logistiek kijken: lading (zoals eiwitten die elders in de cel zijn geproduceerd) wordt verpakt, aan de motoreiwitten vastgemaakt en in de juiste richting gestuurd. Dit onderzoek onthulde echter een tweede, veel eenvoudiger mechanisme voor het transport in de cel: cellen 'roeren' zichzelf net zoals een scheikundige met een reageerbuis schudt.
De onderzoekers toonden aan dat de motoreiwitten die dit roeren veroorzaken dezelfde eiwitten zijn die een spier laten samentrekken. Ze kwamen tot die conclusie nadat ze de cellen blootstelden aan een middel dat het op de motoreiwitten gemunt heeft. Ze zagen dat het middel niet alleen de motoreiwitten uitschakelde, maar daarmee ook het roeren dwarsboomde.
Het cytoskelet van de cel bestaat uit netwerken van eiwitfilamenten, zoals actine. Binnenin de cel vormt het motoreiwit myosine kleine, bipolaire bundels die dit actinenetwerk steeds kort samentrekken. Wanneer veel myosinebundels aan het elastische actinenetwerk trekken, resulteert dat in een roerbeweging in de celinhoud. Actine en myosine spelen een vergelijkbare rol bij spiersamentrekking.
Actieve materialen
Een theoretisch model dat is ontwikkeld door de Amsterdamse groep kan de gemeten roerbeweging in de cel netjes verklaren. De natuurkundigen baseerden hun model op de elastische eigenschappen van het cytoskelet en de krachteigenschappen van de motoreiwitten. De nieuwe ontdekking vergroot niet alleen onze kennis van bewegingen in de cel, maar biedt ook interessante aanknopingspunten voor 'actieve' technologische materialen.
Contact
Prof.dr. Fred MacKintosh, Vrije Universiteit Amsterdam, +31 (0)20 598 78 57.
Referentie
Fakhri, N., Wessel, A.D., Willms, C., Pasquali, M., Klopfenstein, D.R., MacKintosh, F.C., & Schmidt, C.F. (2014). High-resolution mapping of intracellular fluctuations using carbon nanotubes. Science, 30 mei 2014.