Welke vorm hebben cellen?
Cellen in ons lichaam voeren continu kleine taakjes uit, zoals het repareren van wonden. Ze oefenen kracht uit door van vorm te veranderen. Maar hoe vertalen cellen hun vorm in het uitoefenen van kracht in een specifieke richting? Experimentele en theoretische Leidse fysici heeft nu een aanwijzing gevonden om deze vraag te beantwoorden. Ze blijken de vorm van cellen te kunnen beschrijven met ellipsbogen. Publicatie in Physical Review Letters op 29 oktober.
Stel je struikelt over een stoeptegel en loopt een schaafwond op aan je elleboog. Wat doe je? Misschien eerst desinfecteren, maar voor de rest: met rust laten. Voordat we er bij na kunnen denken zijn miljoenen fibroblastcellen al begonnen met het helingsproces. Ze sluiten onder meer kleine openingen in de huid door weefsel samen te trekken. Cellen voeren deze taak uit, zoals al hun andere taken, door van vorm te veranderen. Het stelt ze in staat om kracht uit te oefenen en hun omgeving af te tasten. Mensen doen eigenlijk hetzelfde: ze veranderen hun houding terwijl ze een fietsband plakken of naar de wekker zoeken in het donker. Maar hoe vertalen cellen hun vorm naar het uitrichten van krachten in een specifieke richting? Een samenwerking tussen experimentele en theoretisch fysici van de Universiteit Leiden hebben nu een aanwijzing gevonden om deze vraag te beantwoorden. Het team onder leiding van Luca Giomi en Thomas Schmidt ontdekte dat je de vorm van cellen kunt beschrijven met delen van een specifieke ellips.
Ellips
De experimentele groep van Schmidt maakte een afbeelding van het cytoskelet van een fibroblastcel (zie figuur) om een momentopname te krijgen van zijn vorm. Het cytoskelet is een gelachtig materiaal van kleine samentrekkende vezels die cellen in staat stellen om hun structuur te behouden en krachten uit te oefenen. Ondertussen voerde de theoretische groep van Giomi berekeningen uit om erachter te komen dat de ronde vormen aan de rand van de cel delen zijn van één en dezelfde ellips. Eerder werd aangenomen dat deze vormen onderdeel zijn van cirkels—een aanname die nog steeds standhoudt voor minder mobiele cellen. De sterkte van de samentrekkende kracht die de cellen uitrichten bepaalt de excentriciteit van de ellips. Toen de onderzoekers een ellips plotten op de afbeelding van een echte fibroblastcel, bleek hun theorie experimenteel overeind te blijven. Bovendien wijst de lange as van de ellips steeds in dezelfde richting als de naburige vezels van het cytoskelet—ook in overeenstemming met de theorie.
Richtingsgevoel
‘Cirkels hebben geen richting, maar ellipsen wel,’ zegt promovendus en co-hoofdauteur Koen Schakenraad. ‘We hebben dus een aanwijzing gevonden om het richtingsgevoel van een cel te verklaren.’ De ontdekking is voornamelijk belangrijk voor de fundamentele wetenschap. Maar op de lange termijn zou het onderzoeksgebied essentiële inzichten kunnen bieden voor de medische sector. Schakenraad: ‘Bijvoorbeeld bij kanker is uitzaaiing een groot probleem. Als we snappen hoe metastasen een richtingsgevoel hebben terwijl ze uitzaaien, biedt dat misschien een inzicht voor kankeronderzoek.’
Publicatie
Wim Pomp, Koen Schakenraad, Hayri E. Balcioglu, Hedde van Hoorn, Erik H. J. Danen, Roeland M. H. Merks, Thomas Schmidt and Luca Giomi, ‘Cytoskeletal anisotropy controls geometry and forces of adherent cells’, Physical Review Letters