Simulaties tonen hoe vezels de cel verstevigen

Kort & bondig

Actine vezels zijn belangrijk voor de vorm, sterkte en beweging van cellen. Ze ondersteunen de celmembraan door zich eraan te binden. Hoe dat precies gebeurt is echter nog onduidelijk. RUG onderzoekers hebben computersimulaties uitgevoerd om de interactie van actine met de celmembraan te bestuderen. Zij ontdekten dat positief geladen calcium ionen hiervoor belangrijk zijn: die vormen een soort lijm tussen het negatief geladen actine en negatief geladen vetten in de membraan. De resultaten willen de onderzoekers gebruiken bij het bouwen van een synthetische cel.

Actine filamenten spelen een belangrijk rol in cellen. Ze ondersteunen bijvoorbeeld de membraan door zich eraan te binden. Maar wetenschappers snappen nog niet precies hoe actine zich bindt aan de lipiden (vetten) in de membraan. Simulaties die zijn uitgevoerd door RUG-onderzoekers, aangevuld met experimenten, laten zien hoe die proces op moleculair niveau verwerkt. De resultaten zijn op 2 maart gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Vezels van actine-eiwitten zijn betrokken bij veel belangrijke processen in eukaryote cellen (cellen met een celkern), van voortbewegen of delen van cellen tot het samentrekken van spiervezels. Actine vormt ook een netwerk onder de lipide dubbellaag die de celmembraan vormt. Hier zorgt het voor ondersteuning, en gebogen vezels spelen een rol bij het afsnoeren van dochtercellen. Ondanks hun belang is het moleculaire proces dat zorgt voor binding van actine aan de celmembraan nog niet volledig bekend.

Simulaties

‘De wetenschappelijke literatuur spreekt zichzelf op dit punt soms tegen’, zegt RUG hoogleraar Moleculaire Dynamica Siewiert-Jan Marrink. ‘Iedereen is het er over eens dat actine, dat negatief geladen is, kan binden aan positief geladen lipiden. Sommigen zeggen dat ze ook kunnen binden aan membranen zonder positieve lading, of zelfs met een negatieve lading.’ Dat laatste is belangrijk, omdat normale celmembranen aan de binnenkant negatief geladen zijn.

Marrink en zijn collega’s hebben daarom moleculaire simulaties uitgevoerd van de interactie tussen lipiden en actine. Daarvoor gebruikten ze speciale software die door Marrink is ontwikkeld en nu wereldwijd wordt gebruikt, het zogenaamde Martini grofkorrelig krachtenveld.

Lijm

Door de componenten in de simulatie te variëren ontdekten de wetenschappers dat de geladen ionen die aanwezig zijn bepalen hoe het bindingsproces verloopt. Marrink: ‘Actine kan alleen aan negatief geladen lipiden binden in de aanwezigheid van calcium ionen. De twee positieve ladingen van calcium vormen een soort van moleculaire lijm.’ Maar in de aanwezigheid van positief geladen lipiden remmen calciumionen juist de binding met actine. De resultaten van de simulaties zijn bevestigd via experimenten, uitgevoerd in het lab van hoogleraar Gijsje Koenderink aan de TU Delft.

‘De calciumconcentratie die in de simulaties nodig was lag hoger dan wat normaal aanwezig is in cellen’, vertelt Marrink. ‘Maar calcium ionen hebben de neiging zich te binden aan lipiden in de membraan, dus lokaal kan de concentratie hoog genoeg zijn.’

Synthetische cel

De resultaten laten voor het eerst een helder beeld zien van de binding van actine aan lipiden in de celmembraan. ‘We willen deze kennis gebruiken in een nationaal project voor het bouwen van een synthetische cel’, legt Marrink uit. Het Nederlandse BaSyC (Building a Synthetic Cell) project omvat een groot aantal verschillende stappen, en een daarvan is het bouwen van membranen. ‘Die moeten worden verstevigd met behulp van actine, dus daarom moeten we weten hoe we de interactie tussen de filamenten en de celmembraan kunnen sturen. En we moeten deling van de synthetische cel kunnen laten plaatsvinden, ook daarvoor is actine essentieel.’

Referentie: Carsten F. E. Schroer, Lucia Baldauf, Lennard van Buren, Tsjerk A. Wassenaar, Manuel N. Melo, Gijsje H. Koenderink, and Siewert J. Marrink: Charge-dependent interactions of monomeric and filamentous actin with lipid bilayers. PNAS, 2 maart 2020