Bacteriën zijn ontzettend klein, maar hun cellen zitten propvol met verschillende moleculen als DNA, mRNA en eiwitten die met elkaar reageren.
Onderzoekers uit Nijmegen, Eindhoven en Parijs laten nu zien dat kleine verschillen tussen reacties in cellen ontstaan doordat de precieze locatie van een reactie invloed heeft op het eindresultaat. Vakblad Nature Nanotechnology publiceert de resultaten op 26 oktober.
Doordat in een levende cel zo veel processen tegelijk plaatsvinden, zijn er talrijke verschillende stofjes in lage concentraties aanwezig. Dat leidt automatisch tot willekeurige variaties tussen cellen, door scheikundigen ook wel ‘ruis’ genoemd. Tot nu toe was onbekend waar die ruis precies door ontstond. In dit artikel laat het internationale team van scheikundigen voor het eerst zien dat er een samenspel is tussen een reactie en diens locatie, en dat dit invloed heeft op de ruis.
Honderden mini-kolfjes
Maike Hansen, scheikundige aan de Radboud Universiteit en eerste auteur van het artikel, legt uit: ‘Om dit te onderzoeken, pakten we DNA-moleculen in in minuscule vloeistofdruppels van één picoliter, die fungeren als kolf.’ Alle druppels waren precies hetzelfde qua samenstelling. Zo konden Hansen en collega’s in honderden kolfjes tegelijk de ruis meten die alleen door de kleine verschillen in reacties veroorzaakt wordt.
a
B
Figuur 1. In A zijn de druppels in een niet-viscose omgeving te zien en in B hebben de druppels een hogere viscositeit.
Traag door kleverigheid
‘We ontdekten dat wanneer de viscositeit of de kleverigheid van de druppels steeg, ook de ruis steeg’, aldus Hansen. ‘Zo zijn we erachter gekomen dat in een kleverige omgeving, zoals ook in natuurlijke cellen, de beweging van geproduceerde eiwitten afneemt waardoor ze niet snel genoeg afgevoerd worden. Op die manier ontstaan dan zogenaamde hotspots van moleculen in een cel. En juist die hotspots hebben ruis tot gevolg.’
Resistente bacteriën en synthetische cellen
Hansen noemt de vinding belangrijk om twee redenen: ‘Ten eerste omdat we willen begrijpen waarom cellen onderling verschillen. Hoe kan het dat de ene bacterie resistent is tegen antibiotica en de andere niet, terwijl de basisinformatie in hun DNA identiek is? Dat kan liggen aan de kleine verschillen die wij in deze studie gemeten hebben. Daarnaast is het ons doel om ooit een synthetische cel te kunnen maken in het lab. Dan moeten we alle details van cellen en hun reacties begrijpen. En nu weten we dus bijvoorbeeld al dat de viscositeit in een cel van groot belang is.’
Publicatie
Macromolecular crowding develops heterogeneous environments of gene expression in picoliter droplets
Maike M. K. Hansen, Lenny H. H. Meijer, Evan Spruijt, Roel J. M. Maas, Marta Ventosa Roquelles, Joost Groen, Hans A. Heus, Wilhelm T. S. Huck
Nature Nanotechnology
Bron: Radboud Universiteit