Evenwicht in levende cellen blijkt wankel
Een internationaal onderzoeksteam heeft een manier gevonden om thermodynamisch evenwicht in cellen en andere levende systemen te onderzoeken. Het team kwam tot de ontdekking dat cellen zich niet houden aan het fundamentele principe van 'gedetailleerd evenwicht' – een principe waar alle systemen in thermodynamisch evenwicht aan voldoen. Gedetailleerd evenwicht betekent de reacties van én naar twee verschillende toestanden van een systeem in gelijke mate optreden. Het onderzoeksteam heeft de gebruikte methode en hun resultaten op 29 april 2016 gepubliceerd in Science.
Evenwicht is van fundamenteel belang, zeg maar gerust een kwestie van leven en dood. Wetenschappers zagen al lang geleden in dat levende systemen thermodynamisch evenwicht moeten vermijden. Het ontbreken van een dergelijk evenwicht is namelijk een essentieel verschil tussen levende en niet-levende materie. Levende systemen verbruiken nu eenmaal voortdurend energie om in leven te blijven. Dat energieverbruik weerhoudt ze van een thermodynamisch evenwicht, en van de dood. Tot nog toe is er echter steeds een gebrek geweest aan algemeen bruikbare methodes om dit ontbreken van evenwicht in levende systemen te onderzoeken.
Onderzoekers uit Amsterdam, Göttingen, München, MIT en Yale hebben nu een methode ontwikkeld op basis van veelgebruikte microscopische methodes en gedetailleerde statistische analyse. Daarmee hebben zij kunnen vaststellen hoe het komt dat cellen geen evenwicht bereiken. Een belangrijk aspect van hun aanpak is dat deze niet-invasief is, en voor uiteenlopende levende systemen kan worden gebruikt.
Gedetailleerd evenwicht
Scheikundigen en natuurkundigen weten al ruim een eeuw dat alle systemen in evenwicht voldoen aan het principe van gedetailleerd evenwicht. Gedetailleerd evenwicht betekent dat er tussen twee toestanden van het systeem evenveel reacties de ene kant op gaan als de andere, zodat elk proces in evenwicht is met een omgekeerd proces. Levende systemen voldoen op moleculair niveau niet aan dit principe, bijvoorbeeld als gevolg van metabolische processen die cyclisch van aard zijn en waarbij energie wordt verbruikt. Of op grotere schaal, bijvoorbeeld op cel- of weefselniveau, hetzelfde gebeurt, is lang een onderwerp van discussie geweest.
Het onderzoeksteam heeft nu aangetoond dat het principe van gedetailleerd evenwicht ook niet geldt op de micrometerschaal van individuele cellen. Om precies te zijn: ze hebben aangetoond dat de schijnbaar willekeurige bewegingen van haarachtige uitsteeksels van niercellen in feite cyclisch zijn.
Grote impact
FOM-werkgroepleider Fred MacKintosh (VU) is verheugd over de resultaten: "Dit werk is niet alleen relevant voor toepassingen in de biologie, maar zal ook voor de vakgebieden statistische mechanica en biofysica interessant zijn, omdat het gaat om de fundamentele vraag of en hoe het gebrek aan evenwicht op moleculaire schaal zich op grotere schaal manifesteert."
Contact
Fred MacKintosh, (020) 598 78 57 of (06) 45 34 60 97.
Referentie
Broken detailed balance at mesoscopic scales in active biological systems, Battle, C., Broedersz, C.P., Fakhri, N., Geyer, V.F., Howard, J., Schmidt, C.F., MacKintosh, F.C., Science, 29 April 2016.