Wetenschap
Onderzoekers ontrafelen het mysterie van wervelende draaikolken in eicellen
Eicellen zijn de grootste afzonderlijke cellen op aarde. Door hun grootte – vaak meerdere tot honderden keren zo groot als een normale cel – kunnen ze uitgroeien tot hele organismen, maar het maakt het ook moeilijk om voedingsstoffen en andere moleculen door de cel te transporteren. Wetenschappers weten al lang dat rijpende eicellen, eicellen genaamd, interne, twister-achtige vloeistofstromen genereren om voedingsstoffen te transporteren, maar hoe deze stromen überhaupt ontstaan is een mysterie.
Nu heeft onderzoek onder leiding van computerwetenschappers van het Flatiron Institute, samen met medewerkers van de universiteiten van Princeton en Northwestern, onthuld dat deze stromen – die op microscopisch kleine tornado's lijken – organisch ontstaan uit de interacties van een paar cellulaire componenten.
Hun werk, gepubliceerd in Nature Physics , gebruikte theorie, geavanceerde computermodellen en experimenten met fruitvlieg-eicellen om de mechanica van de twisters bloot te leggen. De resultaten helpen wetenschappers fundamentele vragen over de ontwikkeling van eicellen en het celtransport beter te begrijpen.
"Onze bevindingen vertegenwoordigen een grote sprong op dit gebied", zegt co-auteur Michael Shelley, directeur van het Center for Computational Biology (CCB) van het Flatiron Institute. "We konden geavanceerde numerieke technieken toepassen uit ander onderzoek dat we al jaren ontwikkelen, waardoor we deze kwestie veel beter kunnen bekijken dan ooit tevoren."
In een typische menselijke cel duurt het slechts 10 tot 15 seconden voordat een typisch eiwitmolecuul via diffusie van de ene kant van de cel naar de andere meandert; in een kleine bacteriecel kan deze trip in slechts één seconde plaatsvinden. Maar bij de hier bestudeerde eicellen van de fruitvlieg zou diffusie alleen al een hele dag duren – veel te lang voordat de cel goed zou kunnen functioneren. In plaats daarvan hebben deze eicellen 'twister-stromen' ontwikkeld die rond de binnenkant van de eicel cirkelen om eiwitten en voedingsstoffen snel te verdelen, net zoals een tornado materiaal veel verder en sneller kan oppakken en verplaatsen dan alleen de wind.
"Nadat de eicel is bevrucht, zal hij het toekomstige dier worden", zegt medeauteur van het onderzoek, Sayantan Dutta, onderzoeker bij Princeton en de CCB. "Als je de stroom in de eicel vernietigt, ontwikkelt het resulterende embryo zich niet."
De onderzoekers gebruikten een geavanceerd open-source biofysica-softwarepakket genaamd SkellySim, ontwikkeld door onderzoekers van het Flatiron Institute.
Met SkellySim modelleerden ze de cellulaire componenten die betrokken zijn bij het maken van de twisters. Deze omvatten microtubuli – flexibele filamenten die de binnenkant van een cel bekleden – en moleculaire motoren, dit zijn gespecialiseerde eiwitten die dienen als cellulaire werkpaarden en speciale groepen moleculen dragen die bekend staan als payloads. Wetenschappers weten niet precies waar deze ladingen van gemaakt zijn, maar ze spelen een sleutelrol bij het genereren van de stromen.
De onderzoekers simuleerden de beweging van duizenden microtubuli terwijl ze reageerden op de krachten die werden uitgeoefend door moleculaire motoren die een lading dragen. Door heen en weer te schakelen tussen experimenten en hun simulaties, konden de onderzoekers de structuur van de twisterstromen begrijpen en hoe deze ontstonden uit de interactie tussen de cellulaire vloeistof en microtubuli.
"Ons theoretische werk stelt ons in staat in te zoomen en deze twisters daadwerkelijk in 3D te meten en te visualiseren", zegt co-auteur en CCB-onderzoeker Reza Farhadifar. "We hebben gezien hoe deze microtubuli grootschalige stromen kunnen genereren, gewoon door zelforganisatie, zonder enige externe signalen."
Uit de modellen bleek dat microtubuli in de eicel bezwijken onder de kracht van de moleculaire motoren. Wanneer een microtubulus knikt of buigt onder deze belasting, zorgt dit ervoor dat de omringende vloeistof beweegt, wat andere microtubuli kan heroriënteren.
In een groep buigende microtubuli die groot genoeg is, buigen alle microtubuli in dezelfde richting, en worden de vloeistofstromen 'coöperatief'. Wanneer de microtubuli collectief gebogen zijn, creëren de bewegende ladingen een draaikolk- of twisterachtige stroom door het hele ei, waardoor moleculen zich door de cel kunnen verspreiden. Met de twisters kunnen moleculen in 20 minuten door de cel reizen in plaats van 20 uur.
"Het model liet zien dat het systeem een ongelooflijke capaciteit heeft om zichzelf te organiseren om deze functionele stroom te creëren", zegt Shelley. "En je hebt maar een paar ingrediënten nodig:alleen microtubuli, de geometrie van de cel en moleculaire motoren die ladingen dragen."
De nieuwe bevindingen leggen de basis voor een beter begrip van de ontwikkeling van eicellen. De resultaten kunnen ook helpen het materiaaltransport in andere celtypen te ontrafelen.
"Nu we weten hoe deze twisters ontstaan, kunnen we diepere vragen stellen, zoals hoe mengen ze de moleculen in de cel?" zegt Farhadifar. "Dit opent een nieuwe dialoog tussen theorie en experiment."
Het nieuwe werk biedt een frisse kijk op microtubuli, zegt Dutta. Microtubuli spelen een centrale rol in verschillende celtypen en celfuncties, zoals celdeling, in bijna alle eukaryotische organismen, zoals planten en dieren. Dat maakt ze "een heel belangrijk onderdeel van de gereedschapskist van een cel", zegt Dutta.
"Door hun mechanismen beter te begrijpen, denk ik dat ons model de ontwikkeling van veel andere echt interessante problemen in de cellulaire biofysica zal helpen stimuleren."