Zelforganisatie is een leidend fenomeen in levende organismen (maar ook in dode materie). Als je een banaan prakt, dan verwacht je niet daar weer een ‘hele’ banaan van te kunnen maken, maar het blijkt dat als de inhoud van een (kikker)ei door elkaar klutst, zelforganisatie er voor zorgt dat die zich spontaan hergroepeert tot functionerende celachtige deeltjes. Zelfs als er geen celkernen in die massa aanwezig zijn gebeurt dat…

“Het was eigenlijk een toevalstreffer, een soort proefje dat achtjarigen doen”, zegt systeembioloog James Ferrell van de Stanforduniversiteit (VS). “Neem wat eieren. Hussel ze door elkaar en kijk wat er gebeurt.” Toen zijn medeonderzoeker Xianrui Cheng dat deed was hij eigenlijk op zoek naar signalen die cellen zeggen dat ze moeten sterven.
Het leven heeft systemen ingebouwd om dat op een nette en beheerste manier te doen. Cheng wilde zien hoe het signaal voor die geprogrammeerde celdood (apoptose) zich verspreidt en daarvoor had hij cytoplasma nodig, de celinhoud buiten de kern. Daar komt die achtjarige om de hoek kijken: hij zette een eiermassa van een gewoon labdier de in Afrika levende klauwkikker (Xenopus laevis) in de centrifuge. Die ongeveer 1 mm grote eieren waren zijn cytoplasmabron.
Vervolgens voegde Cheng zaadcellen aan de geklutste eiermassa toe. Dat deed ie niet om die stukgemaakte eicellen te bevruchten, maar uit eerder apoptose-onderzoek was gebleken dat als dat apoptosesignaal zich verspreidt de zaadcelkernen verdwijnen. Het verdwijnen van die kernen zou dan het verloop van het signaal aangeven.

Hergroepering cellen

Er gebeurde iets anders. Voordat het doodssignaal de kernen bereikte verplaatsten die zich en leken zichzelf te organiseren. Toen Cheng een drupje cytoplasma wat nauwkeuriger onder een microscoop bekeek zag hij dat de kern zich in een roosterachtige structuur bevond. De celorgaantjes en het celskelet hergroepeerden zich rond de kernen, waarbij ze afscheidingen maakten, die op een laag huidcellen leken, vond Cheng.

Vervolgens deed hij het proefje nog eens over, maar nu zonder de zaadcellen. Ook nu ontstonden er celachtige structuren. “Ik dacht: hoe kan dat? We hadden het biologische materiaal gehomogeniseerd. Hoe kan die georganiseerde structuur dan ontstaan. Het is net of het weer tot leven komt.”
Zoals gezegd is zelforganisatie een belangrijk fenomeen in het ‘spel’ dat leven heet. Als je de juiste aminozuren aan elkaar plakt, dan zal die structuur zich vanzelf tot een functioneel eiwit omvormen. Cellen in een vroege vrucht groeperen zichzelf om de verschillende weefsels te vormen om uit te groeien tot een volwaardig organisme. Een ander fraai voorbeeld van zelforganisatie is de celdeling, waarbij het DNA wordt gesplitst en gedupliceerd en zo zijn er nog heel wat meer te noemen.
Ondanks dat wetenschappers inmiddels al celstructuren hebben laten ontstaan buiten een echte cel zijn Cheng en Ferrell de eersten die hebben ontdekt dat het hele cytoplasma zichzelf hergroepeert (-organiseert).

Hoe kan dat?

Een wetenschapper constateert niet alleen wat er gebeurt, maar wil ook weten hoe dat komt/kan. Het DNA uit de zaadcellen was niet de ‘aanstichter’, zoveel was duidelijk. Zelforganisatie heeft geen genen nodig. Er was wel een ‘verdachte’: een stervormige organel (celorgaantje) dat wordt aangeduid met aster (=ster). Die ‘asters’ bestaan uit microbuisjes en vormen een onderdeel van het zogeheten centrosoom dat een belangrijke functie heeft bij de celdeling. Als de cellen in rust zijn tussen celdelingen dan zorgen de asters voor de organisatie van de celinhoud. De kikkereieren hadden geen bruikbare centrosomen, dus als het sperma wordt toegevoegd dan heb je een krachtig organisatiemiddel.
Vreemd is het dan natuurlijk dat die hergroepering ook gebeurt zonder die zaadcellen al duurde de hergroepering dan langer en verliep die ook anders. Er vormden zich kleine holtes in het cytoplasma die zich omvormden tot grenszones tussen de celachtige strucuren, met de microbuisjes als een soort afscheiding (groen in het filmpje van Cheng hierboven, de blauwe puntjes zijn de kernen). Binnen die grenzen zorgden de microbuisjes voor de zelforganisatie en vormden zich compartimenten die erg veel leken op die welke ontstaan in de nabijheid van zaadcelcentrosomen. Al eerder was aangetoond dat microbuisstructuren zijn te maken zonder centrosomen. Het zijn die microbuisjes die voor de zelforganisatie zorgen. Het leven is niet voor een gat gevangen en heeft voor belangrijke processen (zoals de DNA-reparatie) vaak meer dan een proces voorhanden.
De microbuisjes geven de richting van het proces aan. Daarnaast heb je nog eiwitten nodig die het transport langs die microbuisjes verzorgen. Als van dit tweetal een van beide elementen verstoord werd dan was het gedaan met de zelforganisatie. Of dat bij andere cellen van andere soorten ook zo verloopt is Cheng nu aan het uitzoeken. Ferrell denkt dat bepaalde celtypen meer geneigd zijn tot zelforganisatie dan andere. “We zijn nog niet uitgeleerd over de mogelijkheden van biologische systemen; niet alleen hoe ze functioneren, maar ook hoe ze zich organiseren.”

Geen membraan

Een belangrijk onderdeel missen die celachtige structuren die ontstaan door zelforganisatie. Dat is het membraan. Dat membraan is bepalend voor de cel en de verhouding met zijn omgeving. Die celachtige structuren lijken op de biologische eigenaardigheden, syncytia genoemd, die je kunt vinden in bijvoorbeeld fruitvliegembryo’s, waar meerdere kernen een cytoplasma delen. Een enkel fruitvliegembryo kan zesduizend kernen bevatten zonder een enkele scheiding.

Al zo’n twintig jaar zijn biologen bezig cellen te maken uit een basisstel aan componenten. Kunstmatige cellen zijn nog niet in de buurt van het ‘echte werk’, maar geven wel enig inzicht in het complexe systeem dat de cel is. Onderzoekers hebben geprobeerd op verschillende manieren cellen te maken, maar misschien kunnen ze zich beter verlaten op de zelforganisatie. Dat zou het (maken van een cel) een stuk makkelijker maken.

Bron: Quantas Magazine