Zo vormt zich een verbindingskanaal tussen twee celonderdelen
Het kanaal waarmee twee celonderdelen materiaal uitwisselen, blijkt zich aan de rand van hun contactoppervlak te vormen, en niet in het midden. Dat ontdekten de Leidse fysische scheikundigen Jelger Risselada en Edgar Blokhuis samen met onderzoekers van de Universiteit van Lausanne in Zwitserland. Ze publiceerden hun onderzoek op 20 februari in The Journal of Physical Chemistry Letters.
Het begin: een opvallende observatie
Het begint allemaal bij een opvallende observatie in Lausanne. Zwitserse onderzoekers bekijken zogeheten vacuolen van gistcellen onder de microscoop om te zoeken naar verbindingskanaaltjes. De blaasjes zijn op zichzelf niet bijster interessant, maar ze lijken erg op menselijke celonderdelen, namelijk de organellen. Door deze gelijkenis kunnen ze interessante inzichten opleveren. Normaal gesproken zijn de aanwezige verbindingskanaaltjes tussen vacuolen te klein om onder een normale microscoop te zien. Maar daar bedenken de onderzoekers een handig trucje voor: met behulp van osmotische druk weten ze deze kanaaltjes zodanig te vergoten dat ze wel zichtbaar.
En wat ze vervolgens zien, verbaast hun. De Zwitserse onderzoekers zijn namelijk benieuwd naar het verbindingskanaal tussen de twee ‘gist-organellen’. Voor het goed functioneren van een cel is het essentieel dat organellen materiaal met elkaar kunnen uitwisselen, bijvoorbeeld om afvalstoffen te lozen. Deze overdracht verloopt via een verbindingskanaal. Het was echter niet bekend waar zo’n kanaal zich bevindt in het contactoppervlak tussen twee organellen. Maar dan zien de onderzoekers iets interessants door hun microscoop: het verbindingskanaal blijkt aan de rand te zitten, zoals rechts te zien is. Laatste auteur Jelger Risselada: ‘Toen vroegen wij ons af, is dat altijd het geval? Of alleen als je deze kanaaltjes onnatuurlijk vergroot, zoals de Zwitsers deden?’
Een Nobelprijswaardig onderwerp
Risselada besluit op zoek te gaan naar de antwoorden en schakelt collega Edgar Blokhuis in. ‘Edgar is een specialist in de lastige wiskunde die nodig is voor de modellen die ik wilde ontwikkelen,’ aldus Risselada.
Onderzoek naar verbindingskanalen is hot. Zo kregen drie Amerikaanse wetenschappers in 2013 de Nobelprijs voor hun ontdekking van de zogeheten SNARE-eiwitten. ‘Deze eiwitten brengen twee organellen naar elkaar toe en dirigeren ook de vorming van het kanaal,’ aldus Risselada. ‘In tekstboeken worden verbindingskanalen altijd symmetrisch weergegeven, bij neuronen (zie animatie) maar ook bij de veel grotere organellen. Wat wij nu ontdekt hebben, laat juist iets heel anders zien voor organellen.’
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDeze animatie toont hoe neurotransmitters in de hersenen worden vrijgelaten in een synaps, de verbinding tussen twee neuronen (zenuwcellen in de hersenen). De SNARE-eiwitten zorgen voor een symmetrische verbinding tussen een zogeheten vesikel gevuld met neurotransmitters en het membraan van een neuron, zodat de neurotransmitters de synaps in kunnen stromen.
Credits: Je-Kyung Ryu
Hoe het kanaal echt vormt
Doordat organellen groot zijn, hebben twee organellen die materiaal uitwisselen een groot contactoppervlak waar op meerdere plekken een kanaal kan ontstaan. Risselada: ‘Daarom hoeft een verbindingskanaal niet netjes in het midden van het contactoppervlak te zitten, maar kan het ook aan de rand gaan zitten.’ Om uitsluitsel te krijgen, voert Risselada eerst moleculaire simulaties uit. Vervolgens gaat Blokhuis aan de slag met een theoretisch model om de uitkomst van de simulaties wiskundig te verklaren. ‘Uit onze berekeningen blijkt dat het verbindingskanaal steeds aan de rand is gelokaliseerd. Dat is ook te zien in onze animatie,’ aldus Risselada.
Die animatie laat zien hoe een kanaal dat aanvankelijk in het midden zit, zich verplaatst naar de rand van het contactoppervlak. Zo verliest het kanaal zijn symmetrie: het membraan van het kanaal is aan een kant bijna recht, en aan de andere kant juist zeer gekromd. ‘Je zou denken dat elk systeem streeft naar symmetrie, maar deze asymmetrie blijkt dus energetisch gezien de meest optimale situatie.’ Dit heeft ook gevolgen voor het kanaal, zegt Blokhuis. ‘Uit ons model blijkt dat het kanaal groter wordt als het aan de rand zit. Dat wil de biologie.’
Simulatie van een verbindingskanaal
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDeze simulatie van de onderzoekers laat zien dat het verbindingskanaal tussen de organellen aan de rand komt te zitten. In het wit is het membraan van de twee organellen te zien, die inmiddels gefuseerd is en waar een kanaal tussen is gevormd.
De kanaalgrootte van buitenaf beïnvloeden
En dat was niet het enige inzicht dat de Leidse chemici opdeden. ‘We zagen ook dat de grootte van het kanaal afhangt van de contacthoek tussen de twee organellen, wat gelijkstaat aan de aantrekkingskracht van deze organellen,’ legt Risselada uit. ‘En die aantrekkingskracht kan je vergroten door bepaalde eiwitten toe te voegen. Zo hebben we dus ook een mechanisme ontdekt dat laat zien dat eiwitten van buitenaf de kanaalgrootte tussen twee organellen kunnen beïnvloeden,’ legt Risselada uit. ‘Deze bevinding verschilt van recentelijke bevindingen gepubliceerd in het blad Nature (Bai et al, 2018), waarin de auteurs juist opperen dat de groei van het kanaaltje directe integratie van SNARE-eiwitten nodig heeft.’
Publicatie
Edgar M. Blokhuis, Massimo D’Agostino, Andreas Mayer en H. Jelger Risselada. Fusion Pores Live on the Edge (2020). The Journal of Physical Chemistry Letters
Tekst: Bryce Benda