Hoe krijg je een cel aan het delen?

Celdeling is een basisfunctie van levende organismen. Zonder celdeling zou je haar niet groeien, je ingewanden niet werken en je kon je niet voortplanten. Zonder celdeling houdt het leven op. Het is daarom een van de processen die onderzoekers moeten beheersen bij hun streven naar het maken van kunstmatig leven.

Toen ze studeerde in het Italiaanse Trento, werkte Elisa Godino aan protocellen. Dat zijn autonome celachtige structuren die genetisch bepaald gedrag vertonen en energie kunnen opwekken uit chemische omzettingen. Ze ontwikkelde een fascinatie voor synthetisch leven – het maken van een levende cel uit dode verbindingen. Ze nam contact op met professor Christophe Danelon voor een promotieplaats in Delft, en kon in januari 2018 beginnen.

De schepping van kunstmatig leven, of het maken van een synthetische cel, is een spannend internationaal onderzoeksveld waarin vlotte vooruitgang wordt geboekt. Het eerste symposium over het bouwen van een kunstmatige cel (BaSyC) vond vorig jaar plaats in Delft.

Verschillende onderzoeksgroepen werken aan uiteenlopende onderwerpen zoals het maken van een celmembraan uit een dubbele lipidelaag, opslag en uitlezen van informatie in het DNA en de aanmaak van functionele eiwitten. Plus de autonome organisatie van levensfuncties door actieve eiwitten.

Het onderzoek van Elisa Godino en collega’s van het Kavli Instituut voor Nanoscience (TNW, afdeling bionanoscience) valt in het domein van autonome uitvoering van levensfuncties, namelijk celdeling.

Het midden vinden
Wanneer een cel deelt, splitst ze in twee gelijke helften. Nanobiologen hebben zich lang afgevraagd hoe cellen dat doen. Hoe kan een cel überhaupt bepalen waar het midden zit? Professor Cees Dekker begon in 2015 experimenteel onderzoek naar de geometrie van bacteriën. Samen met een postdoc bestudeerde hij in vreemd gevormde bacteriën de werking van eiwitten die een belangrijke rol spelen in het bepalen van het midden van een cel: de Min-eiwitten.

Min-eiwitten bewegen zich tussen de beide uiteinden van een bacterie, ook al is die vreemd vervormd. Het netto effect van de heen-en-weer migrerende eiwitten is dat de gemiddelde concentratie het laagst is in het midden van de cel. Zo bepaalt een bacterie dus het midden.

Vier jaar later bootsen onderzoekers in het laboratorium van professor Christophe Danelon het bacteriële celdelingsmechanisme na in kunstmatige ‘cellen’. De protocellen (of liposomen) bestaan uit blaasjes kleiner dan 10 micrometer omringd door een dubbele lipidelaag. De blaasjes bevatten DNA met de genetische code voor Min-eiwitten, en ook de eiwitsynthesemachine PURE. Deze moleculaire machine leest DNA, vertaalt het in RNA  en synthetiseert het bijbehorende eiwit. Het hele proces begint spontaan zodra de cel warm genoeg is. Elisa Godino en haar collega’s beschrijven deze experimenten in een recent artikel in Nature Communications.

Pulserende bubbels
Onderzoekers zagen onder de microscoop hoe de intern geproduceerde Min-eiwitten en een groen markeringseiwit periodiek heen en weer bewogen tussen de inhoud van blaasjes en het omhullende membraan. Tegelijkertijd zagen ze een vormverandering in de blaasjes. De blaasjes veranderden spontaan van rond (Min-eiwitten in oplossing) naar uitgerekt (Min-eiwitten op het membraan) en terug. “We zagen een autonome deformatie van liposomen gedreven door interne Min-oscillaties”, aldus Danelon.

Min-eiwitten bepalen het midden van een cel, maar er is nog een ander eiwit nodig, met de naam FtsZ, dat een ketting vormt die het celmembraan insnoert tot er een deel vanaf splitst.

“We hebben nu het lokalisatiemechanisme laten zien”, zegt Godino. “De volgende stap is dat te combineren met de formatie van een ring die de cel deelt.” En dan, met een plotselinge glimlach: “Ik heb nog twee jaar te gaan.”

• Elisa Godino, Jonás Noguera López, David Foschepoth, Céline Cleij, Anne Doerr, Clara Ferrer Castellà & Christophe Danelon, De novo synthesized Min proteins drive oscillatory liposome deformation and regulate FtsA-FtsZ cytoskeletal patterns, Nature Communications, 31 October 2019.