Vloten van microscopische machines zwoegen weg in uw cellen, essentiële biologische taken uitvoeren en u in leven houden. Door theorie en experiment te combineren, onderzoekers hebben de verrassende manier ontdekt waarop een van deze machines, de spil genoemd, vermijdt vertragingen:congestie.

De spil verdeelt chromosomen in tweeën tijdens celdeling, ervoor te zorgen dat beide nakomelingencellen een volledige set genetisch materiaal bevatten. De spil is opgebouwd uit tienduizenden stijve, holle buizen, microtubuli genaamd, verbonden door biologische motoren.

Microtubuli worden alleen naar voren voortgestuwd wanneer ze zijn verbonden met een buurman die in de tegenovergestelde richting is gericht. eerdere waarnemingen, echter, toonde microtubuli die op volle snelheid kruisten, zelfs als ze alleen verbonden waren met buren die dezelfde kant op keken. In een nieuw artikel gepubliceerd op 2 september in Natuurfysica , de onderzoekers geven een antwoord op deze puzzel. De microtubuli zijn zo met elkaar verstrengeld dat zelfs degenen die niet actief naar voren worden gelanceerd, op volle snelheid door de menigte worden meegesleurd.

"Het is als een zebrapad in New York City, " zegt hoofdauteur Sebastian Fürthauer, een onderzoekswetenschapper aan het Centre for Computational Biology (CCB) van het Flatiron Institute in New York City. "Mensen die op verschillende manieren lopen, zijn allemaal door elkaar gehusseld, toch kan iedereen zich op volle snelheid voortbewegen en soepel langs elkaar heen stromen."

De bevindingen zullen wetenschappers helpen de cellulaire machinerie die chromosomen scheidt tijdens celdeling beter te begrijpen en waarom dit proces soms misgaat. Als een spindel zijn werk niet goed doet, het kan fouten introduceren zoals ontbrekende of extra chromosomen die kunnen leiden tot complicaties zoals onvruchtbaarheid en kanker, zegt Fürthauer.

Fürthauer en CCB-directeur Michael Shelley, beide toegepaste wiskundigen, werkte aan het project samen met een interdisciplinair team van experimentele biologen en natuurkundigen van Harvard University, het Massachusetts Institute of Technology, Universiteit van Indiana, en de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

Een van de overkoepelende doelen van biofysica is om de activiteit van kleinschalige componenten te koppelen aan de grootschalige dynamiek van cellen en organismen. De eigenschappen van de hoofdspilcomponenten zijn relatief goed bestudeerd. Microtubuli zijn lang, stijve polymeerstaven vergelijkbaar met rietjes, elk met een 'min'-einde en een 'plus'-einde. Moleculaire motoren klikken vast op en bewegen langs microtubuli met behulp van een paar moleculaire 'voeten'. Kinesine motoren, bijvoorbeeld, heb twee paar voeten, een aan beide uiteinden. Kinesinemoleculen kunnen hechten aan twee verschillende microtubuli, waarbij elk paar voeten van het min-uiteinde naar het plus-uiteinde van elke microtubule marcheert.

Als de plus- en min-uiteinden van beide microtubuli zijn uitgelijnd, de twee paar voeten lopen in dezelfde richting en de microtubuli bewegen niet ten opzichte van elkaar. Als de microtubuli niet uitgelijnd zijn, de voeten bewegen in tegengestelde richtingen, waardoor de microtubuli langs elkaar glijden. De collectieve beweging van alle microtubuli bepaalt de groei en vorm van de spil.

Eerdere studies waren vooral gericht op situaties waar motoren schaars waren. Wetenschappers gingen ervan uit dat dit een nauwkeurige weergave was van wat er in werkelijke cellen gebeurt. In een dergelijk scenario, de beweging van een microtubule zou afhangen van de oriëntatie van zijn buren. Microtubuli in lijn met hun buren zouden blijven zitten, terwijl die die de menigte trotseerden naar voren zouden zoomen.

Echte spindels, echter, vertonen dit verwachte gedrag niet. Microtubuli omringd door buren die dezelfde kant op kijken, bewegen nog steeds op volle snelheid. Dus wat duwt hen vooruit?

Fürthauer en collega's onderzochten hoe de microtubuli collectief zouden bewegen als het systeem vol zat met veel motoren, wat resulteert in veel verbindingen tussen microtubuli. Ze ontwikkelden een wiskundige theorie over hoe mechanische spanningen zich ontwikkelen in het collectief wanneer microtubuli door de talrijke motoren tegen elkaar worden geduwd en getrokken.

Hun theorie voorspelt dat de microtubuli op één lijn liggen, waarbij elke microtubule in een van de twee tegengestelde richtingen staat. Waar microtubuli van tegengestelde oriëntatie zich vermengen, ze worden voortgestuwd zoals verwacht. Microtubuli elders, de theorie stelt, zijn zo verstrikt in hun buren dat ook zij worden voortgetrokken voor de rit. Elke microtubule, daarom, beweegt met precies de snelheid van de loopmotoren, ongeacht zijn plaats in de menigte.

Experimenten uitgevoerd door de onderzoekers met behulp van microtubuli en overvloedige kinesine-motoren kwamen overeen met deze voorspellingen. Aanvullend, de theorie en experimenten kwamen overeen met spindels uit de echte wereld:in de eieren van Afrikaanse klauwkikkers, microtubuli in spindels bewegen met ongeveer dezelfde snelheid als bekend is dat de motoren die ze verbinden lopen.

Het gedrag van de kikkerspindel is "zeer suggestief dat de werkelijke biologie leeft in het regime dat we in onze experimenten zien, " zegt Fürthauer. "Met dit nieuwe begrip, we kunnen ons nu afvragen:hoe kunnen we een spil bouwen? Kunnen we deze complexe biologische machine reconstrueren in een computersimulatie, of zelfs in de reageerbuis?" Hij en zijn collega's hebben goede hoop dat ze dichterbij komen.