Moleculaire motoren bepalen het lot van stamcellen

Kort & bondig

De structuur van een oppervlak kan de eigenschappen van cellen die er op groeien beïnvloeden. Wetenschappers gebruikten motoren die uit één molecuul bestaan en draaien onder invloed van licht om de structuur te beïnvloeden van een eiwitlaag waarop stamcellen zijn gekweekt. Die stamcellen, afkomstig uit beenmerg, kunnen zich specialiseren tot verschillende soorten cellen, of gewoon stamcel blijven. De beweging van de motoren zorgde ervoor dat de cellen een voorkeur kregen om zich tot botcellen te specialiseren. Deze techniek is te gebruiken om het gedrag van cellen te beïnvloeden en om complexe cellagen en weefsels met verschillende typen cellen te laten groeien via de eigenschap van eiwitlaagjes waar ze zich aan hechten.

Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen en het Universitair Medisch Centrum Groningen hebben moleculaire motoren gebruikt om een eiwitlaag waarop stamcellen uit het beenmerg groeien te manipuleren. De draaiende motoren veranderen de structuur van het eiwit, en hierdoor gaan de stamcellen zich specialiseren tot botcellen (osteoblasten). Wanneer de motoren niet draaien, specialiseren de stamcellen zich niet. Deze resultaten, die van belang kunnen zijn voor het kweken van weefsels, zijn gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances op 29 januari.

‘Cellen zijn gevoelig voor de structuur van het oppervlak waar ze zich aan hechten’, legt Patrick van Rijn uit. Hij is adjunct hoogleraar Materiaalbiologie en Nanomaterialen in het UMCG. ‘En beweging is een belangrijke kracht in de biologie, vooral continue beweging.’ Daarom besloten Van Rijn, RUG-chemicus Ben Feringa en collega’s om de eiwitlaag waarop stamcellen groeien te manipuleren met moleculaire motoren. De door licht aangedreven motoren zijn ontwikkeld door Feringa, die daar in 2016 de Nobelprijs voor Chemie voor kreeg.

Eiwitlaag

De onderzoekers koppelden de motoren aan een glazen oppervlak. Vervolgens is het oppervlak gecoat met eiwit, waarna het beschenen werd met UV-licht, dat de motoren doet draaien. Nadat de motoren een uur hadden gedraaid stopten ze, en voegden ze stamcellen uit beenmerg toe die zich konden binden aan de eiwitlaag. Ten slotte voegden ze nog factoren toe die de stamcellen aanzetten tot specialisatie. Dit experiment liet zien dat cellen die groeiden op een eiwitlaag die was blootgesteld aan draaiende motoren zich vaker specialiseerden, tot botcellen. Cellen die op een niet gemanipuleerde eiwitlaag groeiden, bleven gewoon stamcellen.

De eiwitlaag is onderzocht met behulp van een zogeheten Atomic Force Microscope, die een oppervlak met een zeer dunne naald aftast. Daarnaast zijn er simulaties uitgevoerd, die lieten zien dat de beweging van de motoren subtiele structurele veranderingen veroorzaakte in de eiwitlaag. ‘De bewegende motoren gaan vastzitten in de helixstructuren van het eiwit, en dat verandert hun vorm’, legt Van Rijn uit. Hij vergelijkt het met het verschil in textuur tussen een vers eiwit en een geklopt eiwit.

Domino-effect

De verandering in de structuur van de eiwitten hebben gevolgen voor hoe de cellen zich op de eiwitlaag vastzetten, bijvoorbeeld in hoeverre ze zich uitstrekken. Dit zet een keten van signalen in werking die uiteindelijk aangepast gedrag oplevert, zoals het specialiseren tot een botcel. Op die manier leidt moleculaire beweging tot een verandering op nanoschaal in oppervlaktestructuur, die weer leidt tot een andere aanhechting van cellen, een andere celvorm en uiteindelijk het specialiseren tot een ander type cel. ‘Het is een soort domino-effect, waar kleine stenen een steeds groter steentje omgooien zodat een groot effect ontstaat uit een klein begin.’

Er is eerder geprobeerd om via veranderingen van een oppervlak de ontwikkeling van cellen te beïnvloeden. Maar dit gebeurde doorgaans met schakelaars, die alleen van de ene naar de andere toestand konden gaan. ‘In onze experimenten was er continue beweging, wat veel meer lijkt op de voortdurende beweging in biologische systemen voor transport en communicatie’, aldus Van Rijn. ‘Bovendien, dat de motoren door licht zijn aangedreven is ook belangrijk. Licht is goed te controleren in plaats en tijd. Op die manier kunnen we complexe structuren maken in de eiwitlaag waar cellen op groeien, die dan zorgen voor het ontstaan van verschillende celtypen.’ Op die manier kunnen de door licht aangestuurde motoren nuttig zijn in het maken van complexe weefsels.

Referentie: Qihui Zhou, Jiawen Chen, Yafei Luan, Petteri A. Vainikka, Sebastian Thallmair, Siewert J. Marrink, Ben L. Feringa, Patrick van Rijn: Unidirectional rotating molecular motors dynamically interact with adsorbed proteins to direct the fate of mesenchymal stem cells. Science Advances, 29 January 2020.