Wetenschap
Natures 3D-printer:Borstelwormen vormen stukje bij beetje borstelharen
Een nieuwe interdisciplinaire studie onder leiding van moleculair bioloog Florian Raible van het Max Perutz Labs aan de Universiteit van Wenen biedt opwindende inzichten in de borstelharen van de mariene ringworm Platynereis dumerilii. Gespecialiseerde cellen, chaetoblasten genoemd, controleren de vorming van de borstelharen. Hun werking is verbazingwekkend vergelijkbaar met die van een technische 3D-printer.
Het project is een samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Helsinki, de Technische Universiteit van Wenen en de Masaryk Universiteit in Brno. Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .
Chitine is het belangrijkste bouwmateriaal voor zowel het exoskelet van insecten als voor de borstelharen van borstelwormen zoals de mariene ringworm Platynereis dumerilii. De borstelwormen hebben echter een wat zachtere chitine – bèta-chitine – wat vooral interessant is voor biomedische toepassingen. Dankzij de borstelharen kunnen de wormen zich in het water bewegen.
Hoe de chitine precies in verschillende borstelharen wordt gevormd, is tot nu toe raadselachtig gebleven. De nieuwe studie biedt nu opwindend inzicht in deze bijzondere biogenese.
Florian Raible legt uit:"Het proces begint met de punt van de borstelharen, gevolgd door het middengedeelte en uiteindelijk de basis van de borstelharen. De afgewerkte delen worden steeds verder uit het lichaam geduwd. In dit ontwikkelingsproces worden de belangrijke functionele eenheden worden stuk voor stuk na elkaar gemaakt, wat vergelijkbaar is met 3D-printen."
Een beter begrip van dit soort processen houdt ook potentieel in voor de ontwikkeling van toekomstige medische producten of voor de productie van natuurlijk afbreekbare materialen. Bèta-chitine uit de dorsale schaal van inktvis wordt momenteel bijvoorbeeld gebruikt als grondstof voor de productie van bijzonder goed verdragen wondverbanden. "Misschien is het in de toekomst ook mogelijk om ringvormige cellen te gebruiken om dit materiaal te produceren", zegt Raible.
De exacte biologische achtergrond hiervan:Chaetoblasten spelen een centrale rol in dit proces. Chaetoblasten zijn gespecialiseerde cellen met lange oppervlaktestructuren, microvilli genoemd. Deze microvilli herbergen een specifiek enzym waarvan de onderzoeken zouden kunnen aantonen dat het verantwoordelijk is voor de vorming van chitine, het materiaal waaruit de borstelharen uiteindelijk worden gemaakt. De resultaten van de onderzoekers laten een dynamisch celoppervlak zien dat wordt gekenmerkt door geometrisch gerangschikte microvilli.
De individuele microvilli hebben een vergelijkbare functie als de spuitmondjes van een 3D-printer. Florian Raible legt uit:"Onze analyse suggereert dat de chitine wordt geproduceerd door de individuele microvilli van de chaetoblastcel. De precieze verandering in het aantal en de vorm van deze microvilli in de loop van de tijd is daarom de sleutel tot het vormgeven van de geometrische structuren van de individuele borstelharen, zoals als individuele tanden op de borstelpunt, die nauwkeurig zijn tot op een micrometerbereik."
De borstelharen ontwikkelen zich meestal binnen slechts twee dagen en kunnen verschillende vormen hebben; afhankelijk van het ontwikkelingsstadium van de worm zijn ze korter of langer, spitser of platter.
Naast de lokale samenwerking met de Technische Universiteit van Wenen en beeldvormingsspecialisten van de Universiteit van Brno, bleek de samenwerking met het Jokitalo-laboratorium van de Universiteit van Helsinki een groot voordeel voor de onderzoekers van de Universiteit van Wenen.
Gebruikmakend van hun expertise op het gebied van seriële block-face scanning-elektronenmicroscopie (SBF-SEM), onderzochten de onderzoekers de rangschikking van microvilli in het borstelhaarvormingsproces en stelden ze een 3D-model voor de synthese van borstelhaarvorming voor.
Eerste auteur Kyojiro Ikeda van de Universiteit van Wenen legt uit:"Standaard elektronentomografie is zeer arbeidsintensief, omdat het snijden van de monsters en het onderzoek ervan in de elektronenmicroscoop handmatig moet gebeuren. Met deze aanpak kunnen we echter op betrouwbare wijze de analyse van duizenden lagen."
De Raible-groep werkt momenteel aan het verbeteren van de resolutie van de waarneming om nog meer details over de biogenese van borstelharen te onthullen.