Hoe cellen hun grensverkeer controleren

Bacteriën, schimmels en gistcellen zijn heel goed in het uitscheiden van nuttige stoffen, zoals zwakke zuren. Een manier waarop ze dat doen is via passieve diffusie van moleculen door hun celmembraan. Maar de cellen moeten voorkomen dat via deze route allerlei kleine moleculen weglekken. Gisten kunnen bijvoorbeeld overleven in een vijandig milieu dankzij een robuuste en moeilijk doordringbare celmembraan. Biochemici van de RUG hebben onderzocht wat de invloed is van de samenstelling van de celmembraan op passieve diffusie en robuustheid. De resultaten, die 25 maart zijn gepubliceerd in Nature Communications, kunnen de biotech-industrie helpen om micro-organismen te optimaliseren voor productie van nuttige moleculen en bij het ontwikkelen van nieuwe geneesmiddelen die in cellen werken.

Een goede grenscontrole is heel belangrijk voor cellen. Hun membranen scheiden het binnen- en buitenmilieu, die vaak heel verschillende zijn. Om nuttige stoffen zoals nutriënten op te nemen, of afvalstoffen uit te scheiden, gebruiken cellen soms actieve systemen voor selectief transport. Maar een deel van het transport over de membraan loop via passieve diffusie. Dit is een niet-selectief proces dat sommige moleculen naar binnen of naar buiten laat gaan, afhankelijk van bijvoorbeeld de grootte en waterafstotendheid. Selectieve transportsystemen zijn uitgebreid bestudeerd, maar onze kennis van passieve diffusie door celmembranen is nog heel beperkt.

Blaasjes

Dit is een probleem voor de biotechnologische industrie, die cellen gebruikt als fabriekjes om allerlei nuttige stoffen te maken. Daarbij moeten deze fabriekjes in leven blijven onder soms zware omstandigheden, zoals een omgeving met een hoge concentratie alcohol of zuren. Bert Poolman, hoogleraar biochemie aan de RUG, werd daarom benaderd door een biotechnologisch bedrijf dat geïnteresseerd was in de productie van melkzuur door bacteriën. Ze wilden meer weten over de passieve diffusie van het zuur. Dit paste mooi in een project waar Poolman al aan werkte. ‘Wij zijn geïnteresseerd in dit transport vanwege onze betrokkenheid bij een project om een synthetische cel te bouwen’, vertelt Poolman. ‘Wanneer je passieve diffusie kunt gebruiken in plaats van een actief transportsysteem heb je minder onderdelen nodig in zo’n cel.’

Daarom combineerde hij beide onderzoeksvragen in één project. ‘We begonnen met een systematisch onderzoek naar de oorzaak voor de verschillen in doorlaatbaarheid van de membranen van gisten of bacteriën’, zegt Poolman. Zijn team gebruikte synthetische blaasjes, gemaakt van drie of vier verschillende lipiden. Ergosterol of cholesterol werd er aan toegevoegd om de vloeibaarheid en stijfheid te reguleren. Een hele reeks kleine moleculen is in dit systeem getest, en de resultaten zijn weer gebruikt in moleculaire dynamica simulaties van diffusie door membranen. Deze computerstudies, uitgevoerd onder leiding van prof. Siewert-Jan Marrink, gaven een dieper inzicht in de moleculaire mechanismen van diffusie.

Afstellen

De vetzuurstaarten van de lipiden bleken de belangrijkste factor te zijn bij het bepalen van de eigenschappen van membranen. De waterafstotende kopgroepen van lipiden hadden weinig effect op doorlaatbaarheid. De lengte van de staarten waren wel weer belangrijk. ‘En verzadigde vetzuurstaarten, zonder dubbele bindingen, zijn stijver dan onverzadigde staarten. Hydrofobe interacties zorgen ervoor dat die staarten dicht op elkaar gepakt zitten, wat een soort gel-achtige fase oplevert die niet goed doorlaatbaar is’, legt Poolman uit. Sterolen maken de membraan meer vloeibaar, maar in gisten, die ergosterol bevatten, blijft de doorlaatbaarheid laag. ‘Zo kun je, via de mate van verzadiging van de vetzuren, het type sterol en de hoeveelheid ervan, de doorlaatbaarheid van de celmembraan van gisten en bacteriën afstellen.’

Poolman en zijn collega’s hebben een aantal variabelen gedefinieerd die de doorlaatbaarheid van membranen bepalen voor verschillende stoffen. Die informatie is bruikbaar voor bedrijven die gisten of bacteriën gebruiken als fabriekjes. ‘Maar je kunt onze resultaten niet direct toepassen op deze cellen’, waarschuwt Poolman. ‘Echte celmembranen bevatten honderden verschillende lipiden en de samenstelling kan variëren op verschillende plekken van de membraan. Daarnaast bevatten de membranen ook nog eens allerlei eiwitten. Wanneer je bijvoorbeeld de lipide samenstelling aanpast kan er een heleboel fout gaan, wat vervolgens het functioneren van membraaneiwitten verstoort.’

Geneesmiddelen

Het verbeterde begrip van de fysische processen die de doorlaatbaarheid van de membraan beïnvloeden kan bedrijven wel helpen om te begrijpen waarom sommige cellen beter zijn voor bepaalde processen dan andere. ‘De gebruikelijke manier om stammen af te stellen is via geleide evolutie. Onze resultaten zullen bedrijven helpen bij het interpreteren van de resultaten van die optimalisaties en bij het verder aanpassen van hun cellen.’

Een andere toepassing is de ontwikkeling van geneesmiddelen die in cellen werken. ‘Farmaceutische bedrijven gebruiken ervaringskennis om geneesmiddelen aan te passen voor werking in de cel, gebaseerd op zaken als grootte of polariteit. Ons onderzoek laat zien dat ook de samenstelling van de membraan van de cel die ze binnen willen dringen belangrijk is.’

Referentie: Jacopo Frallicciardi, Josef Melcr, Pareskevi Siginou, Siewert J. Marrink and Bert Poolman: Membrane thickness, lipid phase and sterol type are determining factors in the permeability of membranes to small solutes. Nature Communications 25 maart 2022