Eiwitten in clusters versnellen processen in de cel

Een cel kun je zien als een stad, met fabrieken, transport systemen en veel bouwactiviteit. Een internationaal team geleid door onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen heeft cellen bestudeerd die onder verschillende condities groeiden, en daarbij gemeten hoe snel moleculen in de cellen bewegen. Zij zagen dat in sommige gevallen de mobiliteit in de cellen veranderde, doordat eiwitten die de bouwstenen voor groei maken clusters vormden. Mogelijk kunnen eiwitten in clusters die bouwstenen efficiënter produceren.

Het onderzoek begon met een schijnbaar eenvoudige vraag: hoeveel beweging is er in een cel? ‘We gaven bacteriën verschillende voedingsstoffen, wat zorgde voor verschillende groeisnelheden’, vertelt Matthias Heinemann, hoogleraar Moleculaire Systeembiology aan de RUG. Beweging in de cel is gemeten met behulp van heel kleine (40 nanometer) fluorescerende deeltjes die onder de microscoop te volgen zijn. ‘Tot onze verrassing vonden we dat de beweeglijkheid van de deeltjes tussen verschillende condities een factor drie verschilde.’

In de wetenschappelijke literatuur vonden de onderzoekers geen verklaring voor dit grote verschil. Via analyse van de celinhoud stelden ze vast dat er een correlatie was tussen de beweeglijkheid van de fluorescerende deeltjes en het aantal eiwitten in de cel dat betrokken was bij de productie van aminozuren: ‘Meer van deze klasse eiwitten betekende minder beweeglijkheid in de cel’, zegt Heinemann. ‘Dat bracht ons bij de vraag waarom dit zo is. Onze hypothese was dat de eiwitten clusters vormen, die obstakels zijn voor beweging in de cel.

Micro-compartimenten

Microscopisch onderzoek van de cellen en onderzoek met een elektronenmicroscoop van geïsoleerde eiwitten bevestigde deze hypothese: eiwitten die betrokken zijn bij de productie van aminozuren vormden inderdaad clusters die beweging in de cel konden beperken. De volgende vraag was waaróm dit gebeurde. ‘We gebruikten Machine Learning om de verschillen te bepalen tussen eiwitten die aminozuren produceren en andere eiwitten in de cel.’ Daar kwam uit dat de eerste groep meer waterafstotend (hydrofoob) was dan de tweede. Daardoor hebben ze in het waterige binnenste van een cel de neiging om clusters te vormen.

De vraag over beweging in cellen leidde de onderzoekers zo naar de vraag waarom eiwitten die aminozuren produceren hydrofoob zijn. Aangezien eiwitten ongeveer de helft van het drooggewicht van cellen vertegenwoordigen, is de productie van aminozuren, de bouwstenen van die eiwitten, cruciaal tijdens de groei. ‘En de synthese van aminozuren verloopt in vijf tot tien stappen, die elk door een ander eiwit worden verzorgd’, legt Heinemann uit. ‘Het lijkt dus logisch dat het efficiënt is om al die eiwitten in clusters bij elkaar te hebben.’ Zijn hypothese is dat de clusters microcompartimenten vormen die functioneren als de productielijn in een fabriek. Dat zou de productie van aminozuren efficiënter maken.

Cel-fabrieken ontwerpen

Deze ontdekking, die begon met een door nieuwsgierigheid ingegeven vraag over de beweeglijkheid in cellen, kan volgens Heinemann praktische gevolgen hebben: ‘We kunnen dit gebruiken bij het ontwerpen van cel-fabriekjes. Wanneer je bijvoorbeeld een bepaalde stof wilt laten produceren in cellen, moet je de eiwitten die daarbij betrokken zijn hydrofoob maken.’