Een tekening van een deel van het kunstmatige organel. De groene haken zijn suikermoleculen. ~De gele stippen in de kunststofkluwen (grijs) zijn enzymmoleculen (afb: Georgia Tech)

Wat suiker, een snufje enzymen, een pietsje zout en een kluwentje plyetheenglycol en je hebt een synthetisch, membraanloos organel (een cellichaampje) gemaakt, waarmee onderzoekers hebben getracht de geheimen van deze mysterieuze membraanloze organellen te doorgronden. De onderzoekers van het technologisch instituut van de Amerikaanse staat Georgia ontdekten dat compartimentering met behulp van membraanloze cellichaampjes wezenlijk is voor het verloop van biologische reacties.
In levende cellen zitten cellichaampjes die niet omhuld zijn door een membraan maar hun ‘bestaan’ danken aan een vloeistof/vloeistofscheiding. De ontdekking van die ‘waterpoeltjes’ is vrij recent. Een van de bekendste voorbeelden is de nucleolus in de celkern.
Tot voor kort dachten wetenschappers dat de nucleolus bij celdeling verdween en later weer opdook. Inmiddels weten we dat dit organel geen membraan heeft en bij deling en soort suspensie wordt. “Na de deling wordt de nucleolus weer een eenheid van vloeistof”, zegt onderzoeker Shuichi Takayama.
Membraanloze organellen kunnen worden gevormd van verschillende waterige oplossingen van suikers, eiwitten, RNA of zout. De thermodynamica van de oplossing zorgt ervoor dat zo’n organel niet oplost in zijn omgeving, maar gescheiden blijven als olie en water. Takayama: “Het is allemaal water, maar die mengen niet met elkaar door de verschillende opgeloste stoffen.”
Toch hebben die organellen belangrijke functies. Zo is de nucleolus belangrijk voor de DNA-transcriptie. De onderzoekers deden wat eenvoudiger dingen met membraanloze ‘organellen’ zoals het aanzetten tot suikerverwerking. “We hadden drie fases van oplossingen met elk verschillende substraten”, legt medeonderzoeker Taisuke Kajima uit. “Het was net een bal bestaande uit drie lagen. Glucose zat in de buitenste laag, het enzym glucoseoxidase in de tweede en in de binnenste bal mierikswortelperoxidase met een stof die van kleur verandert als de reactie loopt.”

De glucose (gewone suiker) in de buitenste laag kwam in contact met glucoseoxidase in de tweede, waardoor de suiker werd omgezet in waterstofperoxide. Die stof kwam in de tweede laag terecht waar de peroxide in contact kwam met de peroxidase, waardoor de peroxide werd omgezet en de indicator van kleur veranderde. Takayama: “Een dergelijk cascadeproces verwacht je in membraanloze organellen.”

Verrassing

“Als onderzoekers denken aan membraanloze organellen dan denken ze dat de reacties beter verlopen als de enzymen en de reagenten zich in hetzelfde compartiment bevinden, maar bij onze proeven merkten we dat de reacties daardoor trager werden. Wat is hier aan de hand, dachten we.” “Als het reagent en het product in zich in dezelfde ruimte bevinden als het product, dan raakt het enzym soms in de war”, stelt Kojima het wat al te menselijk (alsof het enzym een geest heeft die in de war kan raken). “Dat kan de reactie verstoren. Dat verraste me wel.”

Daarom werd het enzym en het reagens in aparte lagen gestopt, waartussen contact mogelijk was, maar die niet zich samenvoegden. De reactie verliep prima in het synthetische organel. Takayama: “Er moet niet te veel contact zijn tussen reagens en enzym, maar ook niet te weinig, Net genoeg. Soms is in een cel een bepaalde stof niet ruim voorhanden en moet die geconcentreerd worden in een kleine ruimte en in contact gebracht worden met het enzym. Soms zijn stoffen in overvloed aanwezig en moeten die apart van de enzymen gehouden worden om net genoeg contact te onderhouden voor de juiste reactie.”

Bron: Science Daily