Een cel roert zijn inhoud krachtig door elkaar met als gevolg dat eiwitten en andere moleculen in het rond vliegen. Onderzoekers van onder meer de Vrije Universiteit Amsterdam stuitten op deze manier van transport toen ze met fluorescente nanobuisjes individuele moleculen volgden in een levende cel.
Als een chemicus een reactie wil versnellen, schudt hij of zij de inhoud van een reageerbuisje door elkaar. Een cel doet ook zoiets, ontdekte biofysici van de Vrije Universiteit Amsterdam (VU) en hun Duitse en Amerikaanse collega’s.
Zij ontwikkelden een nieuwe methode om individuele moleculen in het binnenste van een levende cel te volgen, wat nieuw licht wierp op hoe transport door de cel verloopt. Deze week staat het onderzoek in het wetenschapsblad Science.
Korte en lange afstand
Het binnenste van een cel, het cytoplasma, bestaat uit een stroperige vloeistof waarin eiwitten en andere moleculen drijven. Het is een chaotische drukte van belang. Toch slaagt een cel erin om alle eiwitten op het juiste moment op de juiste plaats te krijgen: door transport.
Allereerst beweegt het cytoplasma door de willekeurige beweging die alle moleculen vertonen: als minuscule stuiterballen schieten ze op kleine afstand vliegensvlug heen en weer, steeds harder bij oplopende temperatuur. Deze Brownse beweging, zoals die wordt genoemd, is nodig voor moleculen om elkaar te vinden om grotere structuren te vormen. Transport over de lange afstand gebeurt door de gestuurde acties van motoreiwitten, die hun pakketjes over eiwitbuisjes door de cel voortslepen. Dit is bijvoorbeeld de manier waarop eiwitten langs de uitlopers van zenuwcellen op hun plaats van bestemming aankomen.
Om lading, zoals eiwitten, over grote afstanden te vervoeren moeten ze eerst ingepakt worden. Vervolgens hechten ze vast aan motoreiwitten die dan nog in de juiste richting moeten bewegen. Een grote logistieke klus.
The inner life of a cell / Harvard UniversityMeeliftende nanobuisjes
Dit is allemaal bekend. Maar nu blijkt er nog een manier van transport te zijn. Dat ontdekte het internationale team toen ze motoreiwitten in een levende cel voorzagen van een ultradun buisje van koolstof. De wanden van dit holle nanobuisjes bestaan uit slechts één laag koolstofatomen. De buisjes zenden fluorescent licht uit, waardoor de onderzoekers de transportmoleculen gedurende lange tijd door de cel konden volgen.
Deze methode hielp hen om een andere, makkelijkere manier van transport bloot te leggen: cellen roeren hun inhoud door elkaar. En motoreiwitten die verantwoordelijk zijn voor het samentrekken van spieren, veroorzaken deze opschudding.
Trekkend eiwit
Hoe gebeurt dat roeren precies? Het skelet van een cel bestaat uit een netwerk van draadvormige eiwitten, oftewel microtubuli. Microtubili zijn omgeven door onder meer een netwerk van het eiwit actine (zie onderstaand plaatje). Het team observeerde dat het motoreiwit myosine als het ware steeds kort trekt aan dit actine-netwerk.
Dat willekeurige trekken, door meerdere myosines tegelijkertijd, leidt ertoe dat de inhoud van de cel krachtig door elkaar wordt geschud. “Het resultaat is dat objecten in de cel willekeurig getransporteerd worden”, zegt biofysicus Fred MacKintosh van de VU die betrokken was bij het onderzoek.” Specifiek gaat dat niet, wel efficiënt.
Een dunne koolstof nanobuis is vastgemaakt aan een moleculaire motor (geel) die langs een draadvormige micotubulus (groen) beweegt. De microtubuli liggen in het cytoplasma dat onder andere een netwerk van actine bevat (rood). De fluorescerende nanobuisjes dienen als een baken voor zowel het transport langs de microtubulus, als het bewegen van de microtubulus door het zeer onrustige cytoplasma eromheen.
M. Leunissen, Dutch Data DesignSpiervezel
Actine en myosine zijn vooral bekend als eiwitten van spiercellen; ze zorgen voor samentrekking door in elkaar te schuiven. In spiercellen liggen deze eiwitten geordend in rechte vezels. Samentrekking vindt vervolgens plaats over de lengte van de spiervezel. “We realiseren ons steeds meer dat andere cellen de eiwitten ook hebben, maar dan op een minder georganiseerde manier”, legt MacKintosh uit. “We beginnen te begrijpen dat actine en myosine ook betrokken zijn bij het transport in de cel.”
Dankzij dit onderzoek is er weer wat meer duidelijk over de manier waarop een levende cel het transport van die immense warboel aan ingrediënten regelt. De onderzoekers hopen met de fluorescente nanobuisjes in de toekomst nog meer aspecten van het transport in cellen te onthullen.