FOM: Celfabriek draait met horten en stoten

3 september 2014

Onderzoekers van FOM-instituut AMOLF (onderdeel van NWO) hebben ontdekt dat metabolisme, het proces dat moleculen in een cel verbouwt, onregelmatig verloopt. Omdat metabolisme de motor is die alle biologische activiteit in cellen aandrijft, speelt deze instabiliteit misschien een rol bij ziekten als kanker. De onderzoekers publiceren hun studie op 3 september 2014 in Nature.

Moleculaire fluctuaties destabiliseren metabolisme en groei.Deze studie heeft laten zien dat moleculaire fluctuaties metabolisme en groei destabiliseren, wat hier is geïllustreerd. Moleculaire fluctuaties zijn gevisualiseerd als kleurvariaties, en groei als variaties in celgrootte. Image credits: Daan Kiviet & Sander Tans

Levende cellen zijn chemische fabrieken die constant draaien. Cellen nemen suikers zoals glucose op, breken deze af tot kleinere moleculen, en bouwen daarmee DNA, eiwitten, celmembranen en energiemoleculen die de fabriek aandrijven. Dit stap-voor-stap proces, metabolisme, stelt cellen in staat verschillende functies uit te oefenen, maar ook om te groeien en te vermenigvuldigen en zo een heel lichaam te vormen. Tot nu toe namen wetenschappers aan dat de celfabriek altijd regelmatig draait. Suikers en andere voedselstoffen zijn namelijk ruim voorradig, en cellen bestaan uit zoveel moleculen dat een paar afwijkende bewegingen van enkele moleculen verwaarloosbaar zijn. “Dat was een prettige gedachte. Want zelfs als metabolisme regelmatig en constant zou zijn, is het al enorm moeilijk te begrijpen hoe de talloze reacties elkaar beïnvloeden”,  zegt onderzoeksleider prof.dr.ir. Sander Tans. Zijn team ontdekte echter dat de metabole activiteit van cellen onvoorspelbaar op en neer fluctueert  – wat de werking van de celfabriek nog een stuk ingewikkelder maakt.

Estafetterace

Cellen gesorteerd op metabole activiteit.Door gebruik te maken van genetica en beeldanalyse was het mogelijk om cellen te 'sorteren' op hun metabole activiteit. Willekeurige fluctuaties in de synthese van enkele enzymen bleken een destabiliserende werking te hebben op de gehele metabole machinerie van cellen, en zo op hun groei. Image credits: Daan Kiviet & Sander Tans

De onderzoekers kwamen tot hun conclusie dankzij twee slimme keuzes. Ten eerste zoomden zij telkens in op één reactie in de celfabriek, bijvoorbeeld een afbreekstap. Door fluorescente eiwitten te binden aan enzymen die deze reactie stimuleerden, konden ze zowel de hoeveelheid enzymen als de snelheid van de reactie bijhouden. Daarnaast ontwikkelden de fysici een nieuwe, geautomatiseerde microscopietechniek om de groeisnelheid van enkele E. coli-cellen te volgen tijdens hun groei- en vermenigvuldigingsproces.

De onderzoekers ontdekten dat willekeurige fluctuaties in de enzymproductie een tijdje later tot een verandering in de groeisnelheid van E. coli-cellen leidde. Een verandering in de hoeveelheid enzymen zorgt dus voor een verandering in de snelheid van de afbreekreactie, en die fluctuaties worden stap voor stap doorgegeven naar alle opvolgende reacties, zoals een estafettestokje in een race, zodat uiteindelijk de groei van de cel verstoord raakt.

Volgens Tans is het de eerste keer dat onderzoekers de dynamiek en stabiliteit van metabolisme bestuderen. De vondst  werpt allerlei interessante kwesties op. Tans: “ Biologische groei lijkt veel chaotischer dan gedacht. In die zin lijkt het op economische groei waar we dat al lang van kennen. Werken cellen er actief aan om die chaos enigszins in de hand te houden? En zo ja, hoe? Waarom krijgt de evolutie het niet voor elkaar om die chaos helemaal te onderdrukken, en zo alle cellen altijd snel te laten groeien? En, spelen variaties in het metabolisme een belang in ziekten waar onregelmatige groei een rol speelt, zoals bijvoorbeeld kanker?"

Dit onderzoek is medegefinancierd door NWO.

Bron:

Kenmerken

Wetenschapsterrein

NWO-breed Sociale en Geesteswetenschappen Toegepaste en Technische Wetenschappen Exacte en Natuurwetenschappen

Speerpunt

Nationale rol NWO-instituten

Contact

Neem voor meer informatie contact op met de afdeling Communicatie, via +31 (0)70 344 07 29 of mail naar: