Hoe bouwt het leven complexiteit uit simpele bouwstenen? Erwin Frey gebruikt bacterie-eiwitten om patroonvorming en zelforganisatie in de biologie natuurkundig te verklaren.

De kleurrijke, rimpelende animaties die de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Frey op de computer maakt, doen regelmatig denken aan de streeppatronen op de huid van een makreel of tropische vissen. Alleen doet Frey geen onderzoek aan vissen, hij bestudeert interacties tussen enkele eiwitten uit bacteriën.

Verrassend
Frey wil weten hoe cellen met verrassend weinig eiwitten en enzymen allerlei zeer complexe functies laten ontstaan, functies die onzichtbaar blijven bij het bestuderen van de losse componenten. ‘Er ontstaan kwalitatief nieuwe eigenschappen die veel meer zijn dan de som der delen. De vraag is hoe allerlei eiwitpatronen en gradiënten ontstaan, want patronen leiden tot structuren, en structuren geven functies’, vertelde Frey vorige week tijdens een lezing in Leiden bij Colloquium Ehrenfestii, een natuurkundige langlopende lezingenserie die startte in 1912.

Alles in de natuurkunde, dus ook de celinhoud, neigt naar desorganisatie


Desorganisatie
Voor theoretisch natuurkundigen vormt de biologie de laatste jaren een rijk onderzoeksveld, waar geholpen door krachtige computers steeds beter aan gerekend kan worden. Bekeken door een natuurkundige bril is de biologie een beetje verwarrend, zegt Frey. Alles in de natuurkunde, dus ook de celinhoud, neigt naar desorganisatie: door diffusie verspreiden eiwitten en metabolieten zich automatisch tot een homogene soep. Hoe een cel precies tegen die krachten in de boel georganiseerd houdt, schreeuwt om weergave in wiskundige modellen. Frey: ‘Het belangrijkste verschil is dat de cel via ATP energie lokaal in allerlei processen kan stoppen. Daardoor kunnen cellen krachten opwekken, of processen aan- en uitschakelen via enzymen.’

 

E. coli
Frey bestudeert allerlei natuurlijke celsystemen om daaruit de natuurkundige principes af te leiden die de basis vormen voor zelforganisatie. Eén van die systemen draait om twee eiwitten uit E. coli: MinD en MinE. De bacterie gebruikt die eiwitten om het midden van de cel te bepalen voorafgaand aan de celdeling. Deze eiwitten binden na activatie door ATP aan de celmembraan, waar ze vervolgens door onderling contact weer loslaten. Dat simpele proces van activatie, binding, de-activatie en diffusie leidt spontaan tot een golfpatroon waarmee MinD en MinE van de ene pool van de bacterie naar de andere pool reizen. De oscillatie duurt ongeveer een minuut en zorgt ervoor dat de concentratie van een derde eiwit, MinC, het laagst wordt in het midden van de cel. En dat is de plaats waar de vorming van het septum voor de deling begint.

Bekeken door een natuurkundige bril is de biologie een beetje verwarrend


Schakelen
Het Min-systeem van E. coli is dus een mooi voorbeeld van zelforganisatie: er zijn verrassend weinig bouwstenen nodig om een bewegende moleculaire sensor te laten ontstaan uit de interactie van twee eiwitten. Frey: ‘De principes van dit systeem zijn tamelijk universeel in de cel. Het idee is dat eiwitten door ATP-activatie van vorm veranderen en zo kunnen schakelen tussen compartimenten: de celmembraan en de cytosol.’

 

Bescheiden
Volgens Frey zijn dit nog maar bescheiden eerste stapjes; een gedroomde natuurkundige theorie van levende systemen laat nog wel even op zich wachten. ‘Het ontstaan van patronen is relatief eenvoudig te beschrijven, maar de biologie draait om opeenvolging van verschillende patronen, bijvoorbeeld tijdens ontwikkeling en differentiatie van cellen. Hoe het ene patroon vormt uit het andere is nog een grote vraag.’

Bij de keizersvis (Pomacanthus imperator) blijven Turing-patronen gedurende het hele leven veranderen. Foto ImageSelect.


Turing-patronen
Erwin Frey beschrijft de dynamiek van bacterie-eiwitten met zogenaamde reactie-diffusie-vergelijkingen, een concept dat al in 1952 door de Britse wiskundige Alan Turing werd bedacht. Turing ontwikkelde een wiskundige verklaring voor het ontstaan van patronen in de biologie uit de interactie van twee variabelen. Hoewel het Turing ontbrak aan rekenkracht, stapelen de bewijzen voor dat verklaringsmodel zich de laatste jaren op, bijvoorbeeld in de patroonvorming in de vissenhuid of het uiterlijk van tropische schelpen.

 

Experimenten
Door experimenten met mutante zebravissen kunnen onderzoekers bijvoorbeeld huidpatronen creëren die naadloos overeenkomen met computersimulaties op basis van Turings formules. Hetzelfde is ook gelukt bij het nabootsen van bijzondere lijnpatronen op tropische schelpen, zoals Oliva porphyria .

 

Keizersvis
De keizersvis (Pomacanthus imperator, foto) is een ander voorbeeld, waar Turing-patronen gedurende het hele leven veranderen en in ontwikkeling blijven. Jonge exemplaren van de keizersvis hebben cirkelvormige blauwwitte lijnen op een donkerblauwe ondergrond, volwassen dieren zijn horizontaal blauwgeel gestreept. Als de volwassen vis verder in omvang toeneemt, worden de strepen niet breder, er komen telkens nieuwe bij. Het kleurpatroon zit dus niet gefixeerd, maar verandert door deling en migratie van verschillende kleuren pigmentcellen. De dynamiek in het kleed van de keizersvis laat zich prima simuleren met Turings principes. Onderzoek aan zebravissen heeft geleerd dat vlek-, streep- en golfpatronen in de vissenhuid ontstaan door de interactie en competitie tussen slechts twee soorten pigmentcellen.