CEL en CELLEER


°

_

Celleer —doc archief

cellcycle_part1_ned  pdf 

intercellular communications  pdf 

Prokaryote cel

Kernwoorden  

Biologie, Biotechnologie,   , , , , ,Nanotechnologie,

°

woensdag 4 december 2013  Kennislink

De vijf mysteries van de cel

Jongleren met evenwicht

HeaderDeze publicatie is onderdeel van thema ‘leven bouwen met moleculen’. . Meer…

Zonder het vermogen van moleculen om zichzelf te organiseren zou jij niet bestaan. In de natuur zie je het overal: verschillende moleculen klitten samen tot onderdelen van cellen, die onderdelen organiseren zich op hun beurt weer tot complete cellen. Cellen vormen weefsels, weefsels vormen organen, en organen vormen organismen. Hoe ver komen chemici met het imiteren van die werkwijze?

De machinerie van de biologische cel is tot in detail bekend. Tenminste, als we kijken naar de kennis die een paar eeuwen celonderzoek heeft opgeleverd. Op het allerkleinste niveau is de cel echter een mysterieus terra incognita.

Kennislink neemt de cel in vijf artikelen onder de loep.

 

Nog meer weten over de cel? driedelige BBC-serie The Cell op Holland Doc 24.

Holland Doc 24 is hét documentaireplatform van de publieke omroep. Het bestaat uit het televisieprogramma Holland Doc op Nederland 2, Holland Doc Radio op Radio 1, het digitale kanaal Holland Doc 24 en de website hollanddoc.nl.

Complete bibliotheken zijn vol­ geschreven over de boeiendste machinekamer ter wereld: de cel. Van wand tot kern is de cel grotendeels in kaart gebracht. Alleen de kleinste schakels wachten nog op ontdekking, maar dat is slechts een kwestie van tijd. Althans, zo lijkt het als je afgaat op de enorme stroom aan ontdekkingen die celbiologen letterlijk dagelijks bekendmaken.

Toch zijn enkele fundamentele eigenschappen van de cel nog nauwelijks bekend, terwijl die wel het gedrag van de cel in hoge mate bepalen. Cellen zijn zo complex en eigenzinnig dat het nagenoeg ondoenlijk is ze natuurgetrouw te onderzoeken.

Cell_nucleus

Een impressie van slechts enkele processen in de cel. Wikimedia Commons

De ontelbare regelnetwerken die dwars door elkaar lopen, concentraties enzymen waar de industrie een puntje aan kan zuigen, de willekeur van chemische reacties. Stuk voor stuk zijn het gebieden waar wetenschappers hun hoofden dagelijks over breken. Veelal technologische beperkingen zorgen ervoor dat de werking van de biologische cel voorlopig nog een aantal mysteries huisvest. Kennislink duikt in vijf aspecten van de cel waar wetenschappers nog wel even zoet mee zijn.

°

1.

Jongleren met evenwicht

( een bewerking van een eerder artikel dat in NWT Magazine is verschenen.)

Biologie was eeuwenlang het domein van fysiologen, ecologen en artsen. We zijn er inmiddels achter dat op het kleinste niveau van een biologische cel niets anders gebeurt dan chemische reacties. Dus zou het ook logisch zijn om die reacties op een chemische manier te bestuderen. Maar als we onze chemische theorieën op de biologische cel proberen toe te passen levert dat aanzienlijke problemen op.

De reacties zijn namelijk fundamenteel anders dan de reacties die normaal gesproken in een chemisch lab worden bestudeerd. Chemici houden van reacties die ofwel tot een product leiden, ofwel naar een chemisch evenwicht toe lopen. In het eerste geval gooi je simpel gezegd stoffen A en B bij elkaar en wacht totdat deze in product C zijn omgezet. In het tweede geval, de evenwichtssituatie, worden er uit product C ook weer de stoffen A en B gevormd. Chemici spreken dan van een chemisch evenwicht, waarbij de stofconcentratie van A, B en C uiteindelijk gelijk blijven.

Jongleur

Een biologische cel houd geen vijf ballen in de lucht, maar duizenden. Connormah

Steady state

“Maar wat gebeurt er nou in de cel?” zegt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “Totaal iets anders.” De chemie van de cel doet namelijk geen van beiden. Er is geen eindproduct maar evenmin een evenwichtstoestand. Immers, als we niet eten gaan we dood; er moet constant energie worden aangevoerd voor de processen in een cel.

Huck vergelijkt de cel daarom graag met een jongleur die wel duizenden ballen tegelijk in de lucht houdt. Stopt hij daar geen energie meer in dan stort het systeem in en eindigen de ballen in hun ‘evenwichtstoestand’ op de grond.

De celinhoud, met bijvoorbeeld de duizenden eiwitten, is wel altijd op zoek naar een evenwicht, maar zal dat chemisch gezien nooit bereiken. En die toestand waarin alle reacties elkaar in evenwicht proberen te krijgen maar wat ze niet lukt wordt steady state genoemd. ‘En deze niet-evenwicht, dynamische situatie van de cel is precies de kern van het probleem voor wetenschappers, omdat er geen goede methoden zijn om zulke systemen te bestuderen,’ sprak Huck in zijn oratie voor de Radboud Universiteit in 2011. Als voorbeeld daarvoor haalde Huck een onderzoek aan wat hij deed aan actine-netwerken in de cel.

Eén molecuul, meerdere evenwichten

Actine is een eiwit dat in een vrij grote concentratie in het cytoplasma van de cel zit, en dat lange, stabiele ketens kan vormen die de cel stevigheid geven. Huck liet cellen in meer of mindere mate die actinenetwerken opbouwen, door ze op verschillende ondergronden te laten groeien.

Als actine echter wordt gebruikt in het ene evenwicht (het opbouwen van de netwerken) kunnen diezelfde actine-bouwstenen niet meer gebruikt worden in andere evenwichten. Dit betekent dat het ene evenwicht onder invloed van het andere evenwicht verschuift. Huck zag dat het veranderen van het tweede evenwicht een nieuwe reactieketen veroorzaakte: er gingen meer signaaleiwitten naar de celkern om daar specifieke genen te activeren. En zoiets gebeurt vaak. Je kunt er dan ook bijna zeker van zijn dat een bepaald (signaal)molecuul in verschillende evenwichten is betrokken.

Netwerk van moleculen in een cel

Pathway

Het netwerk van verschillende moleculen dat betrokken is bij de verspreiding van het HIV-virus.

 Je kunt er donder op zeggen dat bepaalde moleculen in een cel in verschillende ‘reactie-paden’ betrokken zijn. Het totaal vormt een ingewikkelde puzzel voor wetenschappers. Elledge Lab/Harvard Medical School

“Kijk je nu naar de concentratie van het vrije actine, dan kijk je dus eigenlijk naar een aantal verschillende processen en dat maakt het onderzoek ingewikkeld”, zegt Huck. Want de wetenschapper wil in zijn proefopstelling eigen alles constant houden, behalve de variabele die hij onderzoekt. De aard van de cel maakt dat nu net onmogelijk. We kunnen voor dit probleem ook naar computer grijpen. In feite kun je alle netwerken doorrekenen. “Daar zijn al mensen mee bezig, maar dat staat nog in de kinderschoenen,” zegt Huck.

°

2.-

File in de cel

(een bewerking van een eerder artikel dat in NWT Magazine is verschenen)

2377661863_a6db865ca7_b

Afbeelding: © M_Y

Zie hier maar eens een pakketje op te halen per vrachtwagen. M_Y

Stel je een druk stadscentrum voor. Je zit in een vrachtwagen en moet een pakketje ophalen. Daarvoor moet je de vrachtwagen precies in een laadsluis rijden aan de achterzijde van een winkel. Het centrum krioelt van voetgangers, fietsers, auto’s en andere vrachtwagens. Je rijdt rond en… hebt totaal geen idee waar je heen moet. Wat is de kans dat het pakketje wordt opgehaald?

Dit is ongeveer de situatie in de cel. Waarin de vrachtwagen een groot eiwit voorstelt dat ergens aan een receptor – de laadsluis van de winkel – moet koppelen om daar een binding met een signaalmolecuul – het pakketje – aan te gaan. Bovendien is het eiwit bijna niet vooruit te branden doordat het continu botst met andere moleculen: het ‘verkeer op straat’.

Alles behalve vloeibaar

Tot wel 40 procent van het volume van een cel wordt ingenomen door eiwitten en dat beïnvloedt de vloeibaarheid van het inwendige van de cel sterk; het is eerder een stroperige brij dan een vloeibare massa. Die drukte zorgt voor een fenomeen dat in het Engels ‘crowding’ wordt genoemd. Zo op het eerste gezicht lijkt dit een enorm probleem voor de logistiek binnen een cel. Geen economie zou ook maar één cent winst maken als alle vrachtwagens willekeurig door het drukbevolkte omgeving gingen rijden, in de hoop op de juiste plek uit te komen. En toch werkt de cel zo; maar hoe?

Astronaut vrij in de ruimte

Astronaut-eva

Bruce McCandless maakte in 1984 een ruimtewandeling waarbij hij niet direct verbonden was aan de Spaceshuttle. Hij zweefde volledig los in de ruimte. 

Afbeelding: © NASA

“Nou, misschien zou de cel zelfs niet eens kunnen werken zonder het fenomeen crowding”, zegt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit in Nijmegen. “Neem een andere vergelijking, precies het tegenovergestelde van een drukke stad: een astronaut die werkzaamheden verricht aan de buitenkant van een ruimtestation. Stel hij raakt los van het station, dan is de kans dat hij vanzelf weer terugkomt om zijn werkzaamheden af te kunnen maken bijna nul. Hij zweeft weg van zijn doel, het lege universum in. In een vloeibaar medium gebeurt in feite hetzelfde. Als een eiwit los raakt van zijn doel, is de kans dat hij nogmaals zijn doel treft klein. In een drukke omgeving is de kans dat een eiwit weer gewoon terug komt op de plek waar hij begon juist erg groot.”

Een voordeel dus, dat crowding. Maar wel één waar de cel rekening mee moet houden. “Waarschijnlijk doet de cel dat door componenten die later een reactie met elkaar moeten aangaan, bij elkaar in de buurt te fabriceren”, zegt Huck. Je hoeft dan niet met je vrachtwagen het hele stadscentrum door te ploeteren, maar je kunt gewoon naar de buurman rijden. Mocht een eiwit dan echt nodig zijn aan de andere kant van de cel, dan heeft de cel altijd nog een actief transportnetwerk tot zijn beschikking [red: meer daarover in het volgende deel van deze artikelreeks].

Crowding heeft echter nog meer voordelen. Wetenschappers ontdekten bijvoorbeeld dat de vouwing van eiwitten naar hun functionele vorm sneller gaat als botsende buren een handje helpen. Hetzelfde geldt voor het binden van twee moleculen, vaak de langzaamste stap in een chemische reactie, dat over het algemeen sterk versneld wordt in een crowded omgeving.

Experimenteren met verdunningen

“Toch vreemd dat crowding al 30 jaar bekend is, maar dat wetenschappers er nauwelijks rekening mee houden in experimenten”, zegt Huck. Vrijwel alle kennis van eiwitreacties is gebaseerd op verdunde oplossingen. Wetenschappers onderzoeken normaalgesproken eigenschappen van eiwitreacties in reageerbuizen, waar de celreacties in een verdunde, niet-crowded omgeving worden overgedaan. En aangezien crowding zo’n grote invloed kan hebben op het gedrag van eiwitten is dat op z’n minst gezegd opmerkelijk. Daarentegen ook wel weer logisch, want het is veel te duur om eiwitten in zo’n grote hoeveelheid te maken dat de concentratie overeenkomt met die in het celinterieur.

Druppeltjes voor celonderzoek

Figure_2

Professor Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit gebruikt dergelijke druppeltjes om onderzoek te doen naar processen in de cel. De inhoud van de druppeltjes, die in grote getalen door kleine buisjes worden geleid, kan precies worden beïnvloed.

Afbeelding: © Wilhelm Huck/Radboud Universiteit

Huck werkt zelf echter aan een nieuw systeem waarin hij de inhoud van een cel kan vangen en controleren in waterdruppeltjes van een picoliter, oftewel 0,000000000001 liter. Zijn onderzoeksgroep in Nijmegen doet als één van de eerste in de wereld onderzoek met deze opstelling. “We kunnen zo eiwitten onderzoeken in natuurlijke drukke omstandigheden”, laat hij weten. Als het ware de vrachtwagen in het drukke stadscentrum.

Lees meer over het onderzoek van Wilhelm Huck:

Moleculen in de cel_slideshow

Achtergrond 28 oktober 2013

Programmeerbare chemische reacties

Normaal gesproken zijn chemische reacties overzichtelijk. Je voegt bijvoorbeeld twee stoffen bij elkaar die een reactieproduct vormen. Dat staat in schril contrast met wat de natuur chemisch gezien klaarspeelt, waar duizenden stoffen tegelijkertijd met elkaar reageren om uiteindelijk complex gedrag mogelijk te maken. “En precies dat zou wij chemici maar al te graag nadoen,” zegt Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit, “we willen eigenlijk kunnen programmeren met chemische reacties.”

°

3.-

De snelwegen van de cel

Netwerk van actine_slideshow

Afbeelding: © Vrije Universiteit/Roos Lab 

Transport vormt een probleem in de cel. Als er geen oplossing zou zijn bedacht op de zeer trage diffusie van grote eiwitten door de cel, dan zouden ze vrijwel nooit op de plek belanden waar ze nodig zijn. En ook het doorgeven van signalen van bijvoorbeeld de kern naar de celwand zou een hele opgave zijn. De cel heeft daarom een enorm netwerk waarlangs stoffen actief getransporteerd worden, als het ware de snelwegen van de cel. Het onderzoeken van de specifieke locaties van netwerken van eiwitten in de cel is lastig, want met bestaande fluorescentietechnieken is slechts een klein aantal eiwitten te volgen.

De gewone bezorging of de dure maar snelle expressverzending? Dit is niet alleen een overweging die jij maakt als je een pakketje wilt versturen. Maar de cel doet precies hetzelfde op moleculair niveau met moleculen die op een bepaalde plek nodig zijn in de cel. Eiwitten die in de celkern worden gemaakt, kunnen bijvoorbeeld nodig zijn in de buurt van het ‘verre’ celmembraan.

Two_cups_of_tea_with_spoon

Hang een theezakje in een kop heet water voilà: diffusie. Naama ym

Nu is er zoiets als diffusie. Een ‘gratis’ kracht die ervoor zorgt dat moleculen van hetzelfde soort zich onder invloed van thermische bewegingen vanzelf verspreiden in een volume. Denk hierbij aan het proces dat gestaag je kopje heet water omtovert tot thee op het moment dat je er een theezakje in hangt.

Handig, die diffusie, maar het is niet afdoende voor de cel. Door de drukte in de cel duurt het lang voordat grote moleculen zich verspreiden. Bacteriën hebben daar met hun kleine afmetingen (zo rond de micrometer) minder last van, maar de bezorgtijden in grote eukaryote cellen van hogere organismen (tot dertig micrometer), lopen dusdanig op dat het functioneren van de cel onmogelijk wordt. De cel moet een oplossing hebben: een ware expressbezorging in de cel.

Betaalde bezorging

Die koeriersdienst voor grote moleculen vindt plaats met blaasjes die over een netwerk van buisjes vooruit worden getrokken door speciale motoreiwitten. Maar net zoals bij de echt koerier zijn daar kosten aan verbonden. En de cel betaalt niet in euro’s maar in kostbare energiemoleculen als adenosinetrifosfaat.

Wanneer een gistcel al zijn 15.000 verschillende eiwitten via deze manier zou ‘versturen’, zou dat naar schatting zo’n 60 procent van het totale energiebudget van de cel kosten. En dat kan hij zich niet veroorloven. Een eukaryotische cel gebruikt maar zo’n vier procent van zijn energie voor transport over dit snelle netwerk.

De expressbezorging van de cel in actie. Deze animatie laat zien hoe een motoreiwit een blaasje vol andere eiwitten vooruit trekt over een transportbuis.

Een groot aantal moleculen moet het dus enkel stellen met diffusie. En daar is eigenlijk niet zo veel mis mee. Voor hele kleine deeltjes is de diffusie zelfs sneller dan het actieve transport, maar met de grootte van de deeltjes loopt de diffusietijd ook snel op. Daarom heeft de cel een andere handigheid in petto.

Kettingreacties in beeld

Zogenoemde reactiediffusie-netwerken zijn in staat snel en gericht signalen te versturen door een keten van reagerende stoffen te vormen. In dat netwerk zitten eiwitten die een reactie versnellen waarvan het product weer naburige eiwitten activeert op deze manier via verschillende schakels razendsnel een signaal kunnen doorgeven.

Er is niet veel wetenschappelijke literatuur over reactiediffusie. Dat is niet gek vindt Wilhelm Huck, hoogleraar Fysisch Organische Chemie van de Radboud Universiteit Nijmegen: “Er zijn relatief weinig mensen bezig met dit onderzoek. Als je dit soort systemen wilt analyseren moet je nu eenmaal precies kunnen volgen waar moleculen zich bevinden in de cel. En daar zitten technisch gezien allerlei haken en ogen aan.”

Green Fluorescent Protein

Gfp___balachandar

Afbeelding: © balachandar, Flickr.com

Een paar buisjes met lichtgevend green fluorescent protein. balachandar, Flickr.com

We kunnen moleculen wel labelen met green fluorescent protein (gfp), een ‘geleend’ eiwit uit een lichtgevende kwal. Groot voordeel: met een ‘gewone’ lichtmicroscoop worden stoffen binnen de cel zichtbaar. Nadeel: het gfp-label kan de snelheid en de reactiviteit van een molecuul beïnvloeden.

Bovendien is het op deze manier nog steeds praktisch onmogelijk een individueel eiwit te volgen. Alleen ophopingen en dus grote concentraties van hetzelfde eiwit zijn zo zichtbaar. En je kunt maar één of hooguit een paar soorten moleculen tegelijk volgen (door ze anders te labelen). Zodra je een heel netwerk in één keer wil visualiseren loop je dus al tegen de grenzen van deze techniek aan.

Daarom werken wetenschappers hard aan andere visualisatiemanieren, bijvoorbeeld nanosensoren. Deze kunnen in de cel worden ingebracht en zenden licht uit als ze hun target tegenkomen. Deze techniek staat nu nog in de kinderschoenen maar kan wel de weg vrijmaken voor het moeilijke maar veelbelovende avontuur van het doorgronden de signaalnetwerken op celniveau.

Bronnen

  • Grzybowski B. A. et al., Reaction-diffusion systems in intracellular molecular transport and control, Angewandte Chemie (juni 2010), DOI:10.1002/anie.200905513

(Dit artikel is een bewerking van een eerder artikel dat in NWT Magazine is verschenen.)

De opbergdoos van het DNA

DNA in een doosje_slideshow

Wellicht een van de meest onderzochte moleculen in de cel is DNA. De lange streng bevat alle genetische informatie en bevindt zich in de kern van de cel. Toch is het voor wetenschappers nog grotendeels gissen naar de manieren waarop de reusachtige moleculen zijn opgeborgen in de relatief kleine celkern. En dat terwijl delen van het DNA continu worden ‘afgelezen’ door een groot aantal eiwitten.

Je genoom is vastgelegd in een langgerekt molecuul: het DNA. Uitgerold komt de lengte van het DNA van een enkele cel in de orde van meters te liggen. Maar hoe bewaart de cel dat in een kern waarvan de diameter een miljoenste van die lengte is? En hoe kan er dan nog steeds informatie worden afgelezen?

door 

We weten dat de streng tijdens de celdeling keurig geordende chromosomen vormt, die ook waarneembaar zijn onder een microscoop. Verder is bekend dat DNA zich rondom zogenoemde histonen kan wikkelen. Dat zijn eiwitten die de speciale taak hebben om de streng compacter te maken. Er zou zo een relatief ‘dikke’ DNA-worst ontstaan die ongeveer 30 nanometer (zo’n drieduizend keer dunner dan een gemiddelde haar) dik is.

“Als we een klein stuk DNA in een reageerbuis stoppen kunnen we die worst ook echt waarnemen,” laat Gijs Wuite weten, hij is hoogleraar Fysica van Levensprocessen aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. “Of zoiets in de cel ook altijd gebeurt is maar zeer de vraag.”

Organisatiestappen_van_dna

De bekende dubbele helix van het DNA (onder) rolt zich op rondom histoneiwitten die zogenoemde nucleosomen gaan vormen (midden). Zij rollen zich op hun beurt weer op tot telomeren die bij elkaar gepakt het chromosoom (rechtsboven) vormt. 23 paren van deze chromosomen vormen samen jouw genetische materiaal dat in de kern van de cel is opgeslagen. National Human Genome Research Institute

Er is van een hoop eiwitten vastgesteld dat ze een interactie aangaan met het DNA. “Die reacties kunnen in het lab onder gecontroleerde omstandigheden worden nagebootst,” zegt Wuite. Voor bijvoorbeeld het kopiëren van het DNA gebruikt de cel tientallen eiwitten die met elkaar een kopieermachine vormen en het DNA aflopen. “Maar als we ons de vraag stellen hoe ze dat precies doen, dan tasten we weer meteen in het duister.”

G-quadruplex_fluorescentie

Fluorescentie kan bepaalde eiwitten zichtbaar maken. University of Cambridge

De onderzoeksgroep van Wuite doet fluorescentie-experimenten met eiwitten die ze aan het DNA laten binden. “We hebben daarvoor iets wat we een ‘optische pincet’ noemen. Tussen de pincetpunten kunnen we DNA spannen en daar eiwitten aan toevoegen. Zo kun je bijvoorbeeld zien hoe lang die eiwitten op het DNA blijven zitten.”

Dat is overigens niet makkelijk, eiwitten met fluorescente labels zenden maar weinig licht uit en ze blijven vaak maar een paar seconden op het DNA zitten. “Het waarnemen van die eiwitten is als een spel van een sportfotograaf die met een zo lang mogelijk sluitertijd toch nog een scherpe foto wil maken,” zegt Wuite.

Trekken aan het DNA

Wie ook aan DNA-strengen trekt is Cees Dekker, hoogleraar Moleculaire Biofysica aan de Technische Universiteit Delft. “Wij spannen het DNA ook op in zo’n optische pincet. Aan een derde pincetpunt hangen we dan een eiwit waarvan we vermoeden dat het een interactie met het DNA aangaat. Door het in de buurt te brengen van de streng kunnen we ook echt voelen of dat klopt. Bovendien kunnen we de krachten meten die er spelen, die overigens erg klein zijn, in de orde van piconewton [red: 10-12 newton].”

Ook Dekker beaamt dat we nog lang niet alles weten: “Aan de ene kant weten we al behoorlijk wat van de processen waarbij één eiwit iets doet op het DNA. Maar hoe een heel gebied in het DNA (met verschillende genen) actief kan worden terwijl anderen dat niet zijn, is nog onduidelijk.”

Wuite vult aan: “Ik denk dat er nog een lange weg voor ons ligt, voordat we alles van het DNA begrijpen. Boven die worst van 30 nanometer zitten nog twee of drie organisatorische stappen waar we nauwelijks iets vanaf weten. Ik denk dat 80 procent van wat er nu over in de boeken geschreven staat fantasie is.”

(Dit artikel is een bewerking van een eerder artikel dat in NWT Magazine is verschenen.)

Onberekenbaar gedrag

Menselijke borstcellen in clusters_slideshow

Afbeelding: © Drs. Sun-Young Moonlee en Mina Bissell

Dat cellen tot één soort behoren wil allerminst zeggen dat ze zich precies hetzelfde gedragen. Zelfs cellen die in dezelfde omgeving met dezelfde geschiedenis en hetzelfde genoom zijn opgegroeid kunnen totaal van elkaar verschillen. De oorsprong van die verschillen zit hem in het willekeurige gedrag van moleculen in de cel. In het huidige onderzoek wordt hier nauwelijks rekening mee gehouden, en veel onderzoek is gebaseerd op het ‘gemiddelde’ gedrag van een groep cellen.

Geen cel is hetzelfde. Zelfs niet wanneer ze precies hetzelfde genetisch materiaal hebben, even oud zijn en dezelfde geschiedenis kennen. Dat komt omdat de willekeurige bewegingen van moleculen voor variaties tussen cellen zorgen. Geen probleem voor de natuur, maar voor het begrijpen van de cel is dit kansspel lastig.

door 

Neem een groot aantal levende cellen, verpletter ze en kijk wat je tegenkomt in de dampende resten. Dat is in een notendop hoe biochemici de cel momenteel bestuderen. Wat ze dan eigenlijk bekijken is de gemiddelde compositie de cellen op dat fatale moment. Er is veel te ontdekken op deze manier, maar toch heeft deze aanpak beperkingen voor het begrijpen van de cel.

Van het stofje in de cel dat je wilt onderzoeken meet je zo nooit de concentratie in één individuele cel. “Ik denk echt dat er in het huidige onderzoek te weinig rekening wordt gehouden met het kansspel waarin elke cel zich eigenlijk bevindt,” zegt Frank Bruggeman, die is verbonden aan de Vrije Universiteit en het Centrum voor Wiskunde en Informatica in Amsterdam.

Een kansspel. Daarmee bedoelt hij dat alle moleculaire interacties op toeval gebaseerd zijn. De bewegingen van een molecuul zijn namelijk maar lukraak. Tijdens een trip door de cel botst zij ontelbare keren met buurmoleculen, kan een reactie aangaan, weer loskoppelen, opnieuw botsen en toevalligerwijs weer precies uitkomen op de plek waar ze even daarvoor ook was. Omdat deze dronkemanswandeling totaal willekeurig is wordt het gedrag van een cel ook willekeurig. Dat gedrag wordt ook wel de stochastisch genoemd.

Brownse_beweging

Simulatie van de zogenoemde brownse beweging van een molecuul, met in (licht)blauw steeds fijnere stappen van de simulatie. Het zijn dergelijke willekeurige bewegingen die moleculen in een cel maken. Di Gama

Hetzelfde maar toch heel anders

Nu dringt die stochasticiteit niet door op alle processen in de cel. Bruggeman legt uit: “Het heeft alles te maken met het aantal moleculen dat meedoet in een reactie. Neem bijvoorbeeld het aflezen en tot expressie brengen van genen in het DNA. Daar zijn soms maar tien (identieke) moleculen bij betrokken. Het toevalsgedrag van dat tiental maakt het hele proces stochastisch, in tegenstelling tot celreacties die bij de miljoenen of miljarden plaatsvinden. Hierdoor vindt de expressie van een gen soms in uitbarstingen plaatst, met daartussen periodes waarin er helemaal niets gebeurt. Dan slaagt geen van die tien moleculen er tijdens hun dronkemanswandeling in op de juiste plek te binden aan het DNA.”

Expressie van genen in uitbarstingen heeft erg veel gevolgen voor het gedrag van losse cellen. Het kan zijn dat de ene cel een grote voorraad eiwitten met een speciale functie heeft terwijl die in zijn buurman helemaal niet voorkomen. Cellen die in dezelfde omgeving, met dezelfde geschiedenis en hetzelfde genoom zijn opgegroeid kunnen zo toch totaal van elkaar verschillen. Maar precies die variatie wordt niet opgepikt in de veel gebruikte onderzoeksmethodes.

Celclusters_menselijke_borst

De menselijke borstcellen lijken misschien hetzelfde, maar onderling kunnen ze grote verschillen vertonen door het willekeurige gedrag van de celchemie. Drs. Sun-Young Moonlee en Mina Bissell

Oppassen voor valse signalen

Bruggeman geeft een voorbeeld. Nobelprijswinnaars Jaques Monod [1] en François Jacob[2] ontdekte halverwege de vorige eeuw dat een bacteriekolonie die twee soorten suikers krijgt, glucose [3] en lactose [4], eerst glucose opeet en dan pas lactose. “Maar toen er veel later pas naar individuele cellen werd gekeken zag men dat er wel degelijk cellen tussen zitten die al meteen op lactose groeien. Wat gemiddeld geldt voor de populatie hoeft dus helemaal niet te gelden voor individuen.”

Er zijn nog veel vraagtekens te zetten bij het stochastische gedrag van cellen. Hoe gaat een cel bijvoorbeeld om met de wispelturig doorgegeven signalen vanmembraanreceptoren [5] naar de celkern? Hoeveel glucosemoleculen moeten er binden aan glucosereceptoren aan de buitenkant van de cel, voordat de celkern een duidelijk signaal ‘er is glucose’ doorkrijgt? De celkern moet ook rekening houden met valse signalen door willekeurige moleculaire interacties.

500x_deckcardsfanned

“Het zou echt een revolutie teweeg brengen als we dit soort processen goed zouden kunnen volgen in de cel,” zegt Bruggeman. “Maar je moet dan letterlijk moleculen tellen. En dat is nu praktisch onmogelijk voor meerdere moleculen in één experiment. Als een experimenteel systeem bovendien uit meer dan vier of vijf interacterende componenten bestaat komen we er al niet meer uit met ons gezond verstand. En dat is echt iets wat mij mateloos fascineert, want de cel lijkt zijn kaarten moeiteloos zo te kunnen schudden dat hij het kansspel om overleving steeds wint.”

 

Bronvermelding

  1. Jaques Monod http://nl.wikipedia.org/wiki/Jacques_Monod
  2. François Jacob http://nl.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A7ois_Jacob
  3. Glucose http://nl.wikipedia.org/wiki/Glucose
  4. Lactose http://nl.wikipedia.org/wiki/Lactose
  5. Membraanreceptoren http://nl.wikipedia.org/wiki/Receptor_(biochemie) 

.-

Genetische tijdmachine verklaart complexe evolutie

Wetenschappers gebruiken ‘moleculair tijdreizen’ om het ontstaan van ingewikkelde eiwitten te achterhalen.

  • Door: Chiel Versteeg (Noorderlicht)

Moleculaire machines zijn een favoriet anti-evolutie argument van creationisten. De ingewikkelde eiwitmachines moeten simpelweg wel ontworpen zijn door een hogere macht. (= IC argument van Behe )

Een moleculair reisje door de tijd laat iets anders zien.

Zoom
© NOchotny
Een V-ATPase moleculaire machine. Het paars gekleurde gedeelte is de ring van eiwitten die de wetenschappers hebben onderzocht.

Veel van wat cellen doen wordt uitgevoerd door ‘moleculaire machines’. Dit zijn ingewikkelde, gespecialiseerde eiwitten die voor beweging of energie zorgen.

Creationisten zien het bestaan ervan als bewijs dat leven ontstaan is door een scheppingsdaad, en niet door evolutie. Volgens hen is door ergens naar te kijken meteen duidelijk of het een product van een intelligent ontwerp is (dit wordt ook het horlogemakerargument genoemd). Nu zijn moleculaire machines volgens creationisten zo ingewikkeld en slim dat ze wel ontworpen moeten zijn. Een onderzoek gepubliceerd in Nature bewijst dat de moleculaire machines wel degelijk door evolutie kunnen ontstaan, zonder dat er een ontwerper aan te pas komt.

zie ook —> ZWEEPSTAART-MOTOR 

https://tsjok45.wordpress.com/2012/10/22/flagellum/

De universiteiten van Oregon en Chicago werkten onder leiding van Joseph Thornton samen aan een onderzoek naar de vraag hoe complexe moleculaire machines ontstaan via evolutie. De wetenschappers richtten zich op een enkele moleculaire machine, de V-ATPase proton pomp, die er voor zorgt dat de zuurgraad in de cel optimaal blijft. Een onderdeel van deze machine is een ring die waterstofionen vervoert. Bij de meeste organismen bestaat deze ring uit twee verschillende soorten eiwitten, maar bij paddenstoelen is er een derde bijgekomen. Het is een goed voorbeeld van hoe evolutie voor ingewikkeldere systemen kan zorgen. De wetenschappers hebben deze ring dan ook gebruikt voor hun onderzoek.

Moleculair tijdreizen

Het team wetenschappers maakte gebruik van wat zij ‘moleculair tijdreizen’ noemen. Computers analyseerden de genen van moderne eiwitten en berekenden het meest waarschijnlijke vooroudergenen. Zo werd er in het verleden gekeken. Met behulp van deze methode konden ze vaststellen dat de complexiteit van moleculaire machines simpelweg veroorzaakt is door een serie normale evolutieprocessen. Het team verwacht dat er in de toekomst ook naar de evolutie van andere moleculaire machines wordt gekeken op deze wijze.

Met behulp van de vooroudergenen uit het computermodel hebben ze de eiwitten gemaakt zoals die waren voordat er een derde eiwit bij kwam. Vervolgens konden ze de evolutie van de moleculaire machine zelf meemaken. Door kunstmatig voor mutaties te zorgen konden de wetenschappers er stap voor stap achter komen welke genetische verandering de machine complexer heeft gemaakt.

Uiteindelijk bleek een duplicatie van een van de twee voorouderlijke eiwitten de schuldige te zijn. Een mutatie zorgde er voor dat het eiwit beperkt werd in de plaatsen die het kon innemen in de moleculaire machine. Hierdoor werd het derde eiwit behouden. Het is hierom dat paddenstoelen nu een specifieke configuratie met drie eiwitten hebben in de V-ATPase moleculaire machine. De eiwitten werden zelf dus niet complexer, maar het werden er wel meer. Hierdoor werd de moleculaire machine een ingewikkelder geheel.

Niet bijzonder

Volgens de wetenschappers was er maar een enkele, weinig bijzondere mutatie nodig voor het extra eiwit. Genduplicatie komt vaak voor in cellen, en er treden fouten op bij het kopiëren van het DNA. ‘Moleculaire machines zijn niet het resultaat van precisieontwerp. Het zijn groepen moleculen die aan elkaar plakken, bij elkaar geharkt tijdens evolutie door knutselwerk van genen, willekeurige mutatie en een beetje geluk. Ze zijn behouden gebleven omdat ze onze voorouders hielpen te overleven’, aldus Joseph Thornton in het persbericht van de Universiteit van Chicago.

Bron:

Gregory C. Finnigan, Victor Hanson-Smith, Tom H. Stevens en Joseph W. Thornton. Evolution of increased complexity in a molecular machine. In: Nature.

Voorbeeld van moleculaire machines in een cel. (ongerelateerd aan het artikel)

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

2 Responses to CEL en CELLEER

  1. Pingback: INHOUD C | Tsjok's blog

  2. Pingback: Flagellum en IC(irreducible complexity = onherleidbaarheid ) | Tsjok's blog

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers liken dit: