Wilhelm Huck van de Radboud Universiteit maakt oscillerende chemische netwerken zoals in een cel

Individuele mieren kunnen gezamenlijk een ingenieuze mierenhoop bouwen. Dat principe zie je ook in een levende cel, waar afzonderlijke chemische reacties aan elkaar gekoppeld een groter, ingewikkeld netwerk vormen. Zelf zo’n netwerk bouwen is een kunst die Nijmeegse chemici steeds beter onder de knie krijgen.

23 januari 2015

Samen vormen mieren een geoliede machine.
Christoph von Beeren

De ene mier pakt een zandkorrel op en legt hem ergens neer. Een andere legt daar nog een bovenop. Een derde mier komt met een broodkruimel aan. Ieder beestje in de groep heeft zijn eigen, eenvoudige taak. In zijn eentje bokst het insect niet veel voor elkaar. Maar grote groepen mieren die samenwerken kunnen heel ingewikkelde dingen doen. Zoals een mierenhoop bouwen met ruimte voor het voedsel en slaapkamers voor de larven.

Je zou kunnen zeggen dat de mierenhoop een netwerk is, waarin de acties van de mieren met elkaar samenhangen om iets groters te bereiken. Dat netwerk ligt nooit stil: de mieren slepen constant met voedsel en bouwen aan hun onderkomen.

Mierenhoop

Een levende cel is net een mierenhoop. Een cel wordt bestuurd door een systeem van aan elkaar geknoopte netwerken die ook nooit stil liggen. Hoogleraar Wilhelm Huck en zijn collega’s van de Radboud Universiteit bestuderen de menselijke cel, die in feite de meest ingewikkelde chemische reactor is die er bestaat. Door zelf netwerken van chemische reacties te bouwen, hopen zij de cel beter te begrijpen. En ze komen aardig in de buurt, is deze maand te lezen in het vakblad Nature Chemistry.

Aanvoer van energie maakt dat de cel nooit stil ligt.
Wikimedia Commons

Niet in evenwicht

In een netwerk zijn de reacties zodanig aan elkaar geknoopt, dat het aanvoeren en afvoeren van stoffen nooit ophoudt. “Daardoor slingeren van alle stoffen in het netwerk de concentraties heen en weer”, vertelt Huck. Dat op en neer gaan in concentratie heet oscilleren, en dat is de reden dat een cel nooit een evenwicht bereikt. Chemici zeggen daarom dat de cel zich ‘buiten-evenwicht’ bevindt.

“We vinden het lastig om een systeem na te bootsen in het lab dat buiten-evenwicht is”, gaat Huck verder. “Want we hebben geen algemene methode om ze mee te ontwerpen. Er zijn werkboeken die vertellen met welke reacties je eiwitten kan maken. Maar er zijn geen werkboeken die zeggen wat je moet doen als je oscillatie wil.”

De cel is wel te vergelijken met een krioelende mierenhoop.
Pixabay, Felix_Broennimann by CC0

Optelsom

Met een willekeurige set reacties lukt het niet om een oscillerend netwerk te bouwen. Breng ze bij elkaar en er gebeuren hoogstwaarschijnlijk dingen die je van tevoren niet had kunnen voorspellen. Een netwerk is meer dan een optelsom van de afzonderlijke chemische reacties. Toch is het de groep van Huck nu gelukt om een oscillerend netwerk te bouwen, waarbij de concentratie van een enzym schommelt. Huck: “We kennen de afzonderlijke reacties waarin dit gebeurt heel goed, waardoor we het volledige gedrag van dit netwerk kunnen voorspellen met simulaties op de computer.”

Regelkring

Het netwerk draait om het enzym trypsine, een eiwit dat in de dunne darm eiwitten uit de voeding afbreekt. In onze darmen gaat de concentratie van trypsine continu omhoog en weer naar beneden. Die eigenschap heeft het team met zogenaamde regelkringen ook weten in te bouwen in hun synthetische netwerk. Die regelkringen zijn als het ware de rem en het gas op de aanmaak van trypsine. Ze koppelen informatie over de concentratie van het enzym terug naar de beginsituatie. Daardoor slingert de hoeveelheid trypsine altijd een beetje heen en weer.

In de simulatie doet het netwerk precies wat de onderzoekers willen. Maar werkt het ook echt? Om dat te testten, stopten ze het netwerk in een kleine reactor. De stoffen waaruit het netwerk is opgebouwd, bleven ze toevoegen aan de reactor. En ja hoor, aan de andere kant kwam er trypsine uit waarvan de concentratie meer dan 60 uur lang op en neer ging. Net zoals dat gebeurt in de cellen van onze dunne darm. “We hebben voor de eerste keer gedemonstreerd dat we zelf kunnen oscilleren”, aldus Huck.

Levende materialen

Uiteindelijk is het de bedoeling om zulke netwerken te combineren met materialen. Denk aan een gel met het systeem voor trypsine erin. Trypsine breekt de gel af. Maar als de hoeveelheid trypsine afneemt, bouwt de gel zichzelf weer op. Waar we dat voor kunnen gebruiken in de toekomst? Die vraag stellen is een stap te ver denken, volgens Huck. “In algemenere zin gaat het om het maken van levende materialen waarin we de eigenschappen inbouwen die een cel ook heeft. Maar eerst moeten we het netwerk nog veel complexer maken. Dat is dus de volgende stap.”

Bron:

Sergey N. Semenov e.a. ‘Rational design of functional and tunable oscillating enzymatic networks’, Nature Chemistry. Online gepubliceerd op 12 januari 2015.

Reageer