Een minimaal model voor hoe een cel van binnenuit vorm krijgt

Levende cellen zitten vol met filamenten. Deze draadvormige steigers houden een cel in vorm, duwen haar vooruit als ze beweegt en trekken haar uit elkaar als ze deelt, en dat alles binnen een zacht membraan dat met ze meebuigt en meestroomt. De filamenten geven het membraan vorm, en het membraan beperkt op zijn beurt de filamenten.

Natuurkundigen begrijpen de ene helft van die wisselwerking, maar vooral voor starre houders. Pak genoeg staafvormige deeltjes in een vaste doos en ze schieten van een wanordelijke kluwen naar een nette uitlijning, net zoals lucifers die zich ordenen als je de doos schudt. Wat er gebeurt als de wanden van die doos kunnen meebewegen, was nauwelijks getest. Een flexibele wand kan vervormen om ruimte te maken voor de inhoud, waardoor de bekende regels niet meer gelden.

Het team sloot starre silicastaafjes van ongeveer 4,5 micrometer lang op in lipideblaasjes met een doorsnede van 6 tot 14 micrometer. Elk blaasje bevatte 10 tot 100 staafjes. Met confocale microscopie in twee kleuren konden ze zowel de wand van het blaasje als elk staafje erin in drie dimensies reconstrueren, en computersimulaties voorspelden hetzelfde gedrag zien.

Naarmate de staafjes dichter werden opeengepakt, doorliepen ze drie stadia. Eerst een wanordelijke kluwen, dan uitlijning in één richting, en ten slotte diezelfde uitlijning geordend in nette lagen. Een langgerekt blaasje liet de staafjes eerder uitlijnen bij lagere dichtheden dan een rond blaasje. Geometrie alleen kon de inhoud al in de richting van ordening duwen.

Ook het omgekeerde gold. Bij hoge pakking duwden de gelaagde staafjes terug op hun blaasje en bogen ronde blaasjes om tot platte, schijfvormige exemplaren, een vorm die het blaasje extra energie kost. Blaasjes gevuld met simpele bolletjes deden dit nooit, dus de nieuwe vormen kwamen van de staafjes zelf. “De staafjes ordenen zich niet zomaar passief. De vorm van het blaasje bepaalt hoe ze gaan liggen, en de staafjes hervormen weer het blaasje”, zegt Hanumantha Rao Vutukuri.

Dit alles is omkeerbaar. Door voorzichtig het volume van een blaasje of de oppervlakte van zijn membraan te veranderen, brachten de onderzoekers de staafjes tussen wanordelijke, uitgelijnde en gelaagde toestanden en het blaasje tussen rond, langgerekt en schijfvormig en weer terug.

Het blaasje is een vervanger voor een levende cel, ontdaan van alle scheikunde. Dat het zich tóch op deze manier ordent, laat zien dat de koppeling geen biologische machinerie nodig heeft om te ontstaan. Alleen natuurkunde is genoeg. Datzelfde samenspel tussen filamenten en een zacht membraan is aan het werk wanneer cellen kruipen, delen en materiaal van buiten opnemen. Het model geeft biologen zo een manier om die processen te bestuderen.

De bevindingen wijzen ook de andere kant op, richting het maken van materialen. Gelaagde staafstructuren worden normaal gekweekt door een druppel te laten indrogen, wat de bereikbare vormen beperkt. Een buigzame houder biedt een mildere route, en opent vormen die een indrogende druppel niet kan maken, waaronder de platte, schijfvormige ordeningen die hier te zien zijn.

De studie, ‘Dynamic bidirectional coupling of membrane morphology and rod organization in flexible vesicles’, is verschenen in PNAS. Het onderzoek werd geleid door dr. Hanumantha Rao Vutukuri van het Active Soft Matter and Bio-inspired Materials Lab, onderdeel van het MESA+ Instituut en de faculteit TNW van de Universiteit Twente.

Promovendus Stijn van der Ham (Universiteit Twente) en André F. V. Matias (Universiteit Utrecht) zijn gedeeld eerste auteur, met Marjolein Dijkstra (Universiteit Utrecht) als mede-corresponderend auteur. Het werk werd mede gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en een ERC Consolidator Grant van de European Research Council.

De publicatie is ook een persoonlijke mijlpaal voor de onderzoeksgroep van Vutukuri: Stijn van der Ham, de eerste promovendus van Vutukuri, is onlangs afgestudeerd na de verdediging van zijn proefschrift. Dit werk is zijn vierde publicatie met grote impact, na artikelen in Nature Communications, ACS Nano en Nano Letters. Rao zegt: “Ik ben erg trots op mijn groep; na ons recente artikel in Science is deze publicatie in PNAS onze tweede invloedrijke studie in slechts twee maanden tijd, waardoor dit een zeer spannende en bevredigende periode is voor het team.”

DOI: 10.1073/pnas.2604848123