Natuurkundigen van de Ludwig Maximilian Universiteit van München die spontane patroonvorming onderzoeken in een modelsysteem dat beweeglijke eiwitten omvat, hebben tot nu toe onopgemerkte verschijnselen ontdekt. Hun bevindingen geven nieuwe inzichten in biologische processen.

Vogelzwermen en bacteriesuspensies, maar ook de dynamische filamenteuze eiwitsystemen die het cytoskelet van eukaryote cellen vormen, iets gemeen hebben. Vanuit het oogpunt van de fysicus, dit zijn allemaal voorbeelden van actieve materie, d.w.z. systemen waarvan de componenten in staat zijn chemische energie om te zetten in actieve beweging. Hoe deze componenten zichzelf organiseren in functionele assemblages is een van de centrale problemen in de celbiologie, omdat veel van de essentiële processen die in cellen plaatsvinden, gebaseerd zijn op de zelforganisatie van complexe moleculaire structuren in patronen. In samenwerking met professor Andreas Bausch aan de Technische Universiteit van München, LMU-natuurkundigen onder leiding van professor Erwin Frey hebben een populair modelsysteem voor actieve materie bestudeerd, en ontdekte verschijnselen die nog nooit eerder waren waargenomen. Allereerst, de onderzoekers ontdekten dat verschillende patronen kunnen ontstaan ​​onder dezelfde startomstandigheden en, verder, deze geordende toestanden kunnen dynamisch naast elkaar bestaan. Ten tweede, subtiele fluctuaties op microscopisch niveau sterven niet weg. In plaats daarvan kunnen ze op macroscopisch niveau aanzienlijke gevolgen hebben voor het hele systeem. De nieuwe studie verschijnt in het tijdschrift Wetenschap .

Frey en zijn collega's gebruikten een standaard motiliteitstest als hun model. In dit systeem, myosine-motoreiwitten hechten zich aan een substraat om een ​​soort tapijt te vormen. Vervolgens wordt een oplossing met filamenteuze polymeren van het eiwit actine toegevoegd. In aanwezigheid van een chemische energiebron (ATP), de filamenten binden aan de motoreiwitten en worden actief binnen de array getransporteerd. "Onder standaardomstandigheden de actinefilamenten bewegen in golfachtige clusters, " zegt Lorenz Huber, een doctoraatsstudent in Frey's groep en, samen met Ryo Suzuki en Timo Krüger, gezamenlijke eerste auteur van het artikel. Experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Bausch toonden aan, echter, dat kleine veranderingen in de interacties tussen de eiwitten een onverwacht effect hebben op dit patroon. Toevoeging van een kleine hoeveelheid van het organische polymeer polyethyleenglycol aan het systeem vermindert effectief het volume dat beschikbaar is voor de actinefilamenten. Onder deze voorwaarden, niet alleen de frequentie, maar ook het type waargenomen interacties verandert aanzienlijk, en de oprukkende golffronten worden omgezet in draadachtige vormen die in lengte groeien, eerder als mierenpaden. Dit toont aan dat zelfs kleine, lokale aanpassingen kunnen het gedrag van het systeem op macroscopisch niveau drastisch veranderen. "Normaal gesproken, men neemt aan dat de kleine details op grotere schaal onbeduidend worden - maar hier, kleine verschillen worden geleidelijk versterkt en hebben een steeds grotere impact naarmate men de schaal van het systeem vergroot, ", zegt Huber.

De onderzoekers gingen verder met het ontwikkelen van een theoretisch model dat de bewegingen van de filamenten vastlegt en de experimentele waarnemingen reproduceert. Simulaties op basis van dit model onthulden ook een gebied van parameterruimte waarin zowel golfachtige structuren als mierensporen gelijktijdig ontstaan ​​- en stabiel naast elkaar kunnen bestaan. "Deze opkomst van bistabiliteit geeft aan dat we een nieuwe fase van materie hebben geïdentificeerd, " zegt Frey. In verdere laboratoriumexperimenten, het team was in feite in staat om beide organisatietoestanden tegelijk te genereren. "Het is echt fascinerend om te zien. De gepolariseerde golven spoelen over de mierensporen en vegen ze vrijwel weg, een soort morene achterlatend, die dient om de vorming van een nieuw mierenpad te zaaien. Het systeem vertoont dus een zeer interessante en dynamische interactie tussen de twee soorten patronen, ", zegt Huber.

Deze bevindingen geven aan dat actieve materiesystemen een uniek vermogen hebben om verschillende soorten dynamische patronen te veroorzaken onder identieke startomstandigheden. Volgens de auteurs van de studie, dit inzicht heeft ingrijpende implicaties voor verschillende onderzoeksgebieden, en zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om biologische processen te begrijpen. "Het inspireert om na te denken over hoe een biologisch systeem tegelijkertijd verschillende soorten orde kan genereren met behulp van een bepaalde set componenten, ’, besluit Huber.

Dit artikel wordt online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 28 juni, 2018.