Intrinsiek wanordelijke eiwitten (groen) klonteren samen in cellen om kunstmatige organellen te vormen (afb: Michael Dzuricky)

Onderzoekers over de hele wereld zijn al jaren bezig om synthetische cellen te maken, maar heel veel verder dan wat primitieve dingetjes zijn ze nog niet gekomen en dat is ook geen wonder gezien de immense complexiteit van cellen, voor eukaryote. Onderzoekers van de Amerikaanse Dukeuniversiteit hebben een methode bedacht om de fasescheiding van bepaalde eiwitten te beheersen, waardoor ze in staat waren om membraanloze organellen (cellichaampjes) te fabriceren. Dat zou mogelijkheden openen om celfuncties te beïnvloeden of zelfs een cel dingen te laten doen die die nog niet eerder gedaan heeft.
Bij de eiwitten is de vorm functie, tenminste dat was lang het dogma. De laatste decennia zijn echter intrinsiek wanordelijke eiwitten (iwe) gevonden, waarvan grote delen wat ‘ordeloos’ zijn: ze vormen geen vaste structuur. Die delen blijken een belangrijke rol te spelen in het reguleren van celfuncties.
Die iwe’s zijn ook belangrijk voor biomedische toepassingen aangezien ze faseveranderingen kunnen ondergaan: van vloeistof tot gel(ei) of van oplosbaar in onoplosbaar in reactie op hun omgeving. Die omstandigheden dicteren ook hun fasegedrag afhankelijk van hun molecuulmassa of de volgorde van de aminozuren in die iwe’s.

“Hoewel er talrijke natuurlijke iwe’s zijn die fasegedrag vertonen in cellen, komen ze in soorten en maten en is het lastig hun gedragsregels af te leiden”, zegt Ashutosh Chilkoti. “Dit onderzoek heeft enkele eenvoudige principes opgeleverd om hun gedrag binnen de cel te programmeren.”
Volgens medeonderzoeker Michael Dzuricky hebben andere onderzoekers natuurlijke iwe’s veranderd en gekeken wat dat aan het gedrag veranderde. “Wij hebben het omgekeerde gedaan en hebben kunstmatige iwe’s gemaakt op basis van eenvoudige thermodynamische beginselen. Dat stelt ons en anderen in staat heel nauwkeurig een eigenschap te sturen, de vorm van het fasediagram van een iwe, om beter te begrijpen hoe die parameter het biologische gedrag beïnvloedt.”

Biomoleculaire condensaten

De onderzoekers zochten allereerst in de natuur naar iwe’s die zogeheten biomoleculaire condensaten vormden in cellen. Dat zijn relatief zwakke ‘bouwwerken’ in een cel die afzonderlijke ruimtes creëren zonder dat er een membraan aan te pas komt. Ze gebruikten zo’n wanordelijk eiwit van een fruitvliegje als basis en maakten een veel eenvoudiger eiwit dat hetzelfde gedrag vertoonde. Daarbij waren de molmassa (hoe ‘zwaar’ is het molecuul) en de aminozuurvolgorde de grootheden om mee te spelen.
De vereenvoudigde eiwitten vormden ruimtes in een reageerbuis bij verschillende temperaturen. Door veranderingen in samenstelling en door te spelen met de temperaturen begrepen de onderzoekers welke regels een rol spelen in het gedrag van die (al of niet natuurlijke) iwe’s.

Nou is een reageerbuis natuurlijk geen levende cel en dus probeerden de onderzoekers hun maaksels in een E. coli-bacterie. Zoals verwacht schoolde de iwe’s samen en vormden een druppeltje in het cytoplasma van de bacteriecel. Ze konden, op basis van wat ze in de reageerbuis hadden geleerd, dat ‘samenscholingsproces’ ook sturen.
Dzuricky: “We veranderde de temperatuur in de cellen om een volledige beschrijving van hun fasegedrag te krijgen dat overeenkwam met onze verwachtingen. We hebben diverse iwe’s ontworpen waar de gevormde druppeltjes andere eigenschappen hebben.” Zo konden ze de vorm van de ‘samenscholing’ beïnvloeden en druppeltjes of compartimenten vormen met een verschillende dichtheid.
Vervolgens creëerden ze een organel dat een bepaalde taak moest uitvoeren: het inkapselen van een bepaald enzym boven een bepaalde activiteit. Door de molmassa’s van de iwe’s te variëren werd de ‘greep’ van de iwe’s groter of kleiner en daarmee diens invloed op de rest van de cel.

Om de mogelijkheden van hun aanpak te tonen kozen ze als enzym van de bacterie een eiwit dat lactose omzet in bruikbare suikers. Daarbij volgden de onderzoekers de enzymactiviteit met behulp van een fluorescerend stofje om in beeld te brengen hoe het kunstmatige organel werkte.

De onderzoekers denken dat dit soort kunstmatige cellichaampjes de mate van activiteit van eiwitten kunnen regelen als er door ziekte iets mis gaat, of kunnen helpen er achter te komen waardoor natuurlijke iwe’s soms in de fout gaan. Dzuricky: “We hebben voor het eerst precies uitgezocht hoe de aminozuurvolgorde het fasescheidingsgedrag in cellen stuurt. We gebruikten een kunstmatig systeem, maar we denken dat die regels ook gelden voor natuurlijke iwe’s en popelen om die theorie te testen.”
Volgens Chilkoti is het mogelijk het fasegedrag van elk eiwit te programmeren door ze te koppelen aan synthetische iwe’s. “We hopen dat die synthetische iwe’s handvatten bieden voor de synthetische biologie om celgedrag te sturen.”

Bron: EurekAlert