De vorming van zelforganiserende moleculaire patronen in cellen is een cruciaal onderdeel van veel biologische processen. Onderzoekers van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München hebben een nieuwe theorie voorgesteld om te verklaren hoe dergelijke patronen ontstaan ​​in complexe natuurlijke systemen.

Veel biologische processen zijn cruciaal afhankelijk van de vorming van geordende verdelingen van specifieke moleculen in cellen. Deze patronen zijn zelforganiserende structuren die op een voorspelbare manier evolueren in tijd en ruimte. Misschien wel het bekendste voorbeeld van intracellulaire eiwitpatroonvorming is de moleculaire machinerie die de regelmatige scheiding van complete chromosoomsets naar de twee dochtercellen tijdens celdeling orkestreert.

De klassieke theorie van patroonvorming is gebaseerd op chemische systemen die dicht bij evenwicht zijn. Maar dergelijke toestanden worden zelden aangetroffen in fysieke, chemische of biologische systemen waarin typisch zelfgeorganiseerde patronen worden waargenomen. Als een regel, deze systemen blijken zeer ver van evenwicht te zijn, een toestand die wordt gehandhaafd door de invoer van energie. De mechanismen die onder deze omstandigheden geordende structuren creëren en stabiliseren, zijn slecht begrepen. LMU-natuurkundigen Erwin Frey en Jacob Halatek hebben nu een nieuw theoretisch raamwerk geïntroduceerd dat patroonvorming in niet-evenwichtssystemen kan verklaren. De nieuwe theorie wordt beschreven in het tijdschrift Natuurfysica .

Frey en Halatek richtten hun aandacht op dynamische systemen die worden aangedreven door massabesparende interacties, d.w.z. chemische reacties. In biologische systemen, patroonvorming manifesteert zich voornamelijk in de dynamische herverdeling van specifieke eiwitten. In veel van deze systemen de dynamiek hangt af van veranderingen in de conformaties van de eiwitmoleculen die hen in staat stellen om te schakelen tussen een membraangebonden toestand en een vrij diffunderende toestand in de oplosbare fase van de cel. "Wat we waarnemen als een eiwitpatroon is meestal een specifieke ruimtelijke ordening, een niet-uniforme dichtheid, van een eiwit, op een membraanoppervlak, ' zegt Halatek.

Patroonvorming is het gevolg van het feit dat de verdeling van een bepaald eiwit tussen het membraan en de cytosolische fase voortdurend verandert, hoewel de totale concentratie in de cel constant blijft. "De dynamiek van patroonvorming in zo'n complex en uitgebreid systeem als een biologische cel is, echter, heel moeilijk vast te leggen, zelfs in simulaties, ", zegt Halatek. "Daarom hebben we de gegevens die in onze simulaties van patroonvorming in grote systemen zijn gebruikt, opgedeeld in een rooster van veel kleinere compartimenten, die aan elkaar gekoppeld zijn."

De lokale dichtheid van membraangebonden en cytosolische eiwitten bepaalt het chemische evenwicht in elk compartiment - zodanig dat veranderingen in de verhouding van cytosolische tot membraangebonden vormen van eiwitten resulteren in een verschuiving van het evenwicht. Halatek en Frey toonden aan dat patroonvorming een gevolg is van deze verschuivingen in lokale chemische evenwichten. "De herverdeling van de eiwitten wordt aangedreven door diffusie. Diffusie op zich zou uiteindelijk leiden tot een homogene verdeling van alle eiwitsoorten door het celvolume, ", zegt Halatek. Het is daarom essentieel voor patroonvorming dat er een diffusiegradiënt in het systeem wordt gehandhaafd, zodat herverdelingen van de eiwitten altijd mogelijk zijn. Om deze reden, patroonvorming in biologische systemen hangt af van enzymatische reacties die de conformaties van de betrokken eiwitten veranderen, zodat ze aan het membraan kunnen binden, bijvoorbeeld."

De twee natuurkundigen pasten hun nieuwe theorie toe op het Min-systeem - een set van drie eiwitten die worden gevonden in de staafvormige bacterie Escherichia coli, die op elkaar inwerken om een ​​zelforganiserend patroon te genereren dat het splitsingsvlak tijdens celdeling bepaalt. Ze observeerden een ander gevolg van de dynamische destabilisatie van lokale evenwichten als gevolg van massatransport:de opkomst van chemische turbulentie. "Deze turbulenties, echter, niet leiden tot het volledige verlies van orde zoals klassieke theorieën suggereren, ", zegt Frey. "In ons conceptuele kader, precies het tegenovergestelde gebeurt. Als we het systeem destabiliseren, we zien dat turbulentie zich relatief snel ontwikkelt. Maar bij verdere verstoring, het systeem ondergaat een transitie waarin het verre van evenwicht is, maar toch duidelijk geordend en niet turbulent." Frey en Halatek vergelijken dit soort gedrag met het effect van een pacemaker, die aritmieën tegengaat door elektrische impulsen toe te passen om het normale patroon van impulsgeleiding te herstellen. "Ons model legt uit hoe 'pacemakers' kunnen ontstaan ​​door zelforganisatie in niet-evenwichtssystemen, " zegt Halatek. "Met andere woorden, kunnen we een duidelijk antwoord geven op de vraag:Welk deel van het 'zelf' is verantwoordelijk voor de 'organisatie?' Die rol wordt vervuld door de onstabiele modi ('controlemodi') die de positie en stabiliteit van de lokale evenwichten veranderen die de tijdevolutie van het systeem aandrijven."