NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2014/de-precisie-van-een-cellulaire-meting-amolf/

Geprint op :
14 december 2018
16:34:34

Tijd, energie en opslagcapaciteit bepalen de nauwkeurigheid waarmee cellen chemische concentraties kunnen meten. Dat blijkt uit onderzoek van FOM-instituut AMOLF. De wetenschappers stelden eerst een theorie op en bewezen daarna dat een bacterie zich aan deze theorie houdt. Ze beschreven de resultaten van hun onderzoek in twee wetenschappelijke artikelen.

Of het nu gaat om bacteriën die voedsel zoeken, of menselijke cellen die zich differentiëren tot bijvoorbeeld een hersencel, alle levende cellen moeten kunnen reageren op signalen uit hun omgeving. Deze signalen bestaan uit chemische concentraties van nabije moleculen. Cellen kunnen deze chemische concentraties met een ongekende precisie meten dankzij receptoreiwitten aan hun oppervlak die met de omgevingsmoleculen binden. Een netwerk van chemische reacties stuurt dit signaal vervolgens de cel in.

Cel bevat veel ruis
Deze netwerken zijn de informatieverwerkende machines van de levende cel, vergelijkbaar met een computer. Evenals een computer heeft het cellulaire systeem tijd, energie en opslagcapaciteit nodig om te functioneren. Een groot verschil tussen een computer en het cellulaire meetsysteem is dat celprocessen veel ruis vertonen. Daardoor was niet duidelijk hóe cellen concentraties met een hoge precisie kunnen meten.

Theorie ontwikkeld
De AMOLF-onderzoekers ontwikkelden een theorie die de nauwkeurigheid van een concentratiemeting beschrijft aan de hand van het aantal aanwezige eiwitten, de tijd en de energie die de cel in de meting steekt. De onderzoekers keken in de 'celcomputer' eerst naar passieve systemen. Deze systemen verbruiken geen energie. In deze systemen begrenst het aantal receptoreiwitten het aantal metingen dat de cel doet. De celcomputer middelt over dit aantal om de gehele molecuulconcentratie te bepalen. Daarna keken de onderzoekers naar de actieve systemen. Voor een nauwkeurigere schatting van de concentraties, moet het celsysteem metingen uit het verleden onthouden. Dit vergt echter tijd, energie en andere eiwitten om de metingen op te slaan.

Zwakste schakel
Tot verrassing van de onderzoekers bleken deze drie onderdelen de meetnauwkeurigheid te bepalen als schakels in een keten. De precisie is begrensd door het onderdeel dat het minst aanwezig is. Deze observatie bracht de onderzoekers op een voor dit soort systemen nog niet eerder geïdentificeerd ontwerpprincipe: in een optimaal meetsysteem zijn alle schakels even sterk.

Theorie werkt in praktijk
En wat bleek in de praktijk? Het netwerk dat de bacterie E. coli gebruikt om voedsel te vinden blijkt aan dit principe te voldoen. De onderzoekers verwachten dat deze ontwerplogica van cellulaire systemen ook gebruikt kan worden om efficiënte synthetische systemen en materialen te ontwikkelen.