Cellen van glas en goud met spaken

Biofysica

Met kunst- en vliegwerk bouwden Amsterdamse fysici kunstmatige cellen.

Computertekening van de ‘cellen’, met een celskelet van microtubuli (groen) die vanuit het centrosoom naar de celrand lopen. Beeld Amolf

Stel dat je leven zou willen maken in het lab – een levende cel zou willen bouwen. Dan zou je eerst het DNA in zo’n cel, het bouwplan, zo goed mogelijk moeten doorgronden. Net als alle chemische reacties die dat dna in de cel in gang zet – de eiwitproductie, de energievoorziening, kortom de biochemie van de cel.

Maar je kunt ook anders naar zo’n cel kijken. Naar de mechanische structuur ervan: de stevigheid en de plasticiteit. Daarop richt Marileen Dogterom (44) haar blik. Zij is hoogleraar biofysica in Leiden en leidt aan het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam de afdeling biophysics.

Gisteren publiceerde Dogterom met collega’s van AMOLF, van Harvard University, de University of San Fransisco en van het Max Planck Institut in Dresden, in het wetenschappelijk tijdschrift Cell een artikel over een klein, maar voor die mechanische structuur van veel cellen juist cruciaal onderdeel: het centrosoom. De publicatie maakt voor het eerst duidelijk hoe dat centrosoom (of spoellichaam) zijn centrale plek in een cel kiest om daarna vanaf die plek zijn taken te verrichten.

Bij celdeling zorgt het centrosoom er bijvoorbeeld voor, na verdubbeling, dat de chromosomen die het DNA dragen, netjes uit elkaar worden getrokken. En dat ze daarna gelijkelijk worden verdeeld over de twee nieuwe cellen. Cruciale hulp komt daarbij van de stevige, uit eiwitten gesponnen ‘trekdraden’ die vanaf het centrosoom de cel in groeien: de microtubuli.

Samen met het centrosoom vormen zulke draden bovendien een celskelet. In een dwarsdoorsnede lijkt dat op een naaf (het centrosoom) met spaken (de microtubuli) die naar de celrand lopen.

Maar hoe, zo vroegen Dogterom en collega’s zich af, weet zo’n centrosoom waar in de cel het zich bevindt? Hun antwoord begon in Amsterdam met de bouw van kunstmatige cellen. Voor een groot deel door Liedewij Laan – destijds promovendus bij Dogterom en nu postdoc in Harvard.

Goudgerande zwembadjes

Stap één was het maken van een zee van, nog lege, kunstmatige cellen. Zwembadjes van 15 bij 15 micrometer (duizendste millimeter), die de fysici met standaard lithografie- en etstechnieken uit de chipindustrie in een sandwich van glas, goud en glas uitkerfden. Een plakje van een vierkante centimeter leverde 250.000 zwembadjes op, elk omlijst met een gouden randje.

Dat plakje dompelden ze daarna in een fysiologische oplossing – met de samenstelling van de vloeistof in een cel – waarin centrosomen zweefden en ook de eiwitten die de bouwstenen zijn voor microtubuli. Nadat alle zwembadjes waren gevuld, dekten ze het plakje af met glas. Dogterom: “Elke kunstmatige cel had zo een glazen dakje, dat we dicht sealden met rubber.”

De kunst was om daarna onder de microscoop precies die paar tientallen cellen terug te vinden waarin inderdaad een centrosoom was beland. Met nóg meer geluk groeiden daaruit dan microtubuli, opgebouwd uit de in de vloeistof zwevende eiwitten.

Voor de vorming van een stabiel celskelet bleken daarnaast de motoreiwitten (dyneïne) cruciaal. Vooraf waren die met veel gepriegel op de celrand aangebracht – in dit geval: op de gouden lijst. Dogterom: “We gebruikten een biologische ‘lijm’ van eiwitten die wel aan goud hecht en niet aan glas.” De motoreiwitten grepen vervolgens de groeiende microtubuli vast zodra die de celrand bereikten. Al laten de opnames door de speciale confocale microscoop zien dat het ook geregeld mis ging. Als het rubber de cel niet goed afsloot, groeiden de microtubuli vrolijk hun zwembadje uit. En soms zat een centrosoom vanaf het begin stevig vastgeplakt aan het glazen dakje en bedierf zo de proef.

Het was al met al een enorm gepruts in de biofysicalabs die er nu, rond het middaguur, zo verlaten bij liggen. “Al dat plakken en prutsen is natuurlijk niet zo verheffend”, zegt Dogterom relativerend, “maar wel belangrijk.” Liedewij Laan was er enorm bedreven in, zegt ze ook. En: het AMOLF is een van de weinig plekken ter wereld met de fysische én de biologische technieken in huis om zulke kunstmatige cellen te bouwen.

Naar het midden

In Cell beschrijven de fysici wat dat opleverde. Namelijk het inzicht dat het centrosoom zijn centrale plek opzoekt met hulp van die motoreiwitten op de celrand. Dat gaat op twee manieren: ten eerste doordat de motoreiwitten de groei van de vastgegrepen microtubuli stopzetten en ze zelfs aanzetten tot krimp. Zo trekken ze deze draden tussen centrosoom en celrand strak. En ten tweede doordat de motoreiwitten de microtubuli niet meteen vastgrijpen.

Dogterom: “Stel dat een centrosoom in de linkerbovenhoek van de cel zit. De microtubuul die naar linksboven groeit, bereikt dan het eerst de celrand. Je zou dus denken dat die draad, eenmaal vastgepakt, het centrosoom meteen in de linkerhoek vastpint. Maar de draden glijden heen en weer langs de wand voor ze worden beetgepakt. Daardoor wijzen er soms wat meer draden naar de ene kant van de cel dan naar de andere kant. Dat leidt tot netto-trekkrachten die het centrosoom verplaatsen, en uiteindelijk tot een dynamisch systeem dat zichzelf voortdurend bijstuurt. Tot het centrosoom in het midden van de cel is beland.” De theoretische modellen van de collega’s uit Dresden bevestigden die dynamiek nog eens.

Alles wiebelt

Het is kenmerkend voor de biologie, zegt Dogterom. “Processen in de cel verlopen vaak helemaal niet zo nauwkeurig, maar ze worden wel voortdurend op allerlei manieren bijgestuurd. Als fysicus moet je daaraan wennen: alles beweegt en wiebelt. Neem weer het centrosoom: dat zit middenin de cel, maar nooit exact. Het wijkt ondanks dat bijsturen toch 5 tot 20 procent uit. En kennelijk is dat genoeg om, met hulp van weer andere processen, een celdeling toch perfect te laten verlopen. Uiteindelijk is de precisie waanzinnig.”

“En ja”, zegt Dogterom, “de benadering met de zwembadjes is die van een fysicus. Een bioloog zal zeggen: een lichaamscel is niet vierkant. Een cel is rond, of langwerpig.” En dus hebben Dogterom en collega’s nu ook ronde en langwerpige cellen nagebootst. “Dan zie je dat het mechanisme in heel langgerekte cellen niet meer werkt. Maar het mooie is: in de natuur blijken langgerekte cellen, zoals bepaalde gistcellen, de motoreiwitten ook niet te gebruiken.”

Versimpeling is dus waardevol, vindt Dogterom: “Als je de basisprincipes van die complexe natuur wilt begrijpen, moet je beginnen met eenvoudige uitgangspunten. Hopelijk kunnen we dan de biochemische en mechanische complexiteit van cellen uiteindelijk zo goed ophelderen, dat we ziektes beter kunnen behandelen en misschien zelfs ‘leven’ begrijpen.”