Tijdens de ontwikkeling delen de cellen van een embryo zich totdat een volledig functioneel organisme ontstaat. Tijdens dit proces is vooral één onderdeel van de cel van belang:de celcortex. Dit fijne netwerk van haarachtige filamentstructuren (actine genaamd) net onder het celmembraan is de belangrijkste bepalende factor voor de celvorm en is betrokken bij bijna alles wat een cel doet, zoals bewegen, delen of de omgeving waarnemen.

Toch moet de cortex eerst worden opgebouwd uit afzonderlijke moleculen, en als het niet precies goed is gebouwd, zouden de cellen van een organisme nooit op de juiste plaats komen om hun functies uit te voeren. Een internationaal team van onderzoekers van het Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) in Dresden, het Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems (MPI-PKS) en de Cluster of Excellence Physics of Life (PoL ) aan de TU Dresden bestudeerden de vorming van deze dynamische celcortex bij de rondworm Caenorhabditis elegans.

Ze ontdekten dat duizenden dynamische en kortlevende druppelachtige condensaten bestaande uit actinefilamenten de generatie van een eerste cortex regelen, op het moment dat een onbevruchte eicel na de bevruchting overgaat in een embryo. De principes die in deze studie zijn ontdekt, helpen om te begrijpen hoe de vorming van subcellulaire structuren wordt gecontroleerd.

Direct nadat een eicel is bevrucht, begint de vorming van de celcortex en het duurt ongeveer tien minuten voordat deze volledig is gevormd. De cortex bestaat uit actinefilamenten en motoreiwitten, die zijn georganiseerd in een dicht verknoopt netwerk. De dynamiek van de cortex komt voort uit motoreiwitten die aan actinefilamenten trekken, waardoor spanningen ontstaan ​​die resulteren in corticale spanning.

Deze corticale spanning stuurt bijvoorbeeld de vorm van cellen, hun vermogen om hun omgeving waar te nemen en hun vermogen om hun functies in ons lichaam uit te voeren. De dynamiek van de celcortex is in het verleden intensief bestudeerd, maar het mechanisme waarmee de celcortex voor het eerst wordt geactiveerd direct na de bevruchting is onbekend. Het is van cruciaal belang om de principes achter de vorming van de celcortex te begrijpen, aangezien deze betrokken is bij bijna elke functie van de cel, en een onjuiste corticale organisatie leidt tot een verslechtering van belangrijke cellulaire en ontwikkelingsprocessen.

Eiwitcondensaten hebben een korte levensduur en zorgen voor een goede ontwikkeling

Om te onderzoeken hoe de celcortex wordt geactiveerd, bestudeerde een interdisciplinair team van onderzoekers van MPI-CBG, MPI-PKS en PoL dit proces in de rondworm C. elegans.

"We waren in staat om te observeren hoe actine en de actine-kiemvormende eiwitten WSP-1 en ARP2/3 samenkwamen om condensaten te vormen die slechts enkele seconden duurden, om daarna meteen weer te demonteren. Deze condensaten zorgen ervoor dat er de juiste hoeveelheid actinefilamenten is en dat ze op de juiste manier met elkaar zijn verbonden. Voor mij ligt de schoonheid van deze structuren, gemaakt van sterk vertakte actinefilamenten, zoals een sneeuwvlok, in wat hun dynamiek ons ​​leert over de onconventionele chemie van levende materie", legt Arjun Narayanan uit. , een van de hoofdauteurs van de studie en onderzoeker in de groep van Stephan Grill, directeur bij MPI-CBG.

Victoria Tianjing Yan, de andere hoofdauteur, zegt dat ze "onze eigen beeldvormings- en beeldanalysemethode hebben ontwikkeld, massabalansbeeldvorming genaamd, om te bestuderen hoe de structuur van de kortstondige condensaten groeit en evolueert." Tijdens hun studies ontdekten de onderzoekers dat interne chemische reacties bepalen hoe snel een condensaat groeit en wanneer het krimpt. Zo organiseren corticale condensaten hun eigen levenscyclus, grotendeels onafhankelijk van hun externe omgeving.

Grill zegt dat ze "concluderen dat de condensaten in de celcortex een nieuw type biomoleculair condensaat vertegenwoordigen dat wordt aangedreven door specifieke chemische reacties om binnen enkele seconden te monteren en demonteren. We suggereren dat deze kortstondige condensaten de activering van de celcortex en de delicate precisie regelen van zijn groeiende architectuur na bevruchting van de eicel van C. elegans."

Frank Jülicher, directeur van MPI-PKS en een andere begeleidende auteur, zegt dat "deze studie het zoveelste voorbeeld is van het overbruggen van natuurkunde en biologie hier in Dresden. Onze interactieve omgeving met biologen en theoretisch natuurkundigen zorgt samen voor nieuwe interdisciplinaire benaderingen om de fysica van biologische processen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Verschillende rollen voor myosinen bij het 'afstemmen' van de celvorm voor deling