Cellen blijken hun moleculaire samenstelling te veranderen terwijl ze toch altijd hetzelfde blijven
Bacteriëncellen kunnen hun interne samenstelling drastisch aanpassen aan veranderende omstandigheden. Toch blijft er iets opmerkelijk stabiel.
Stel je een cel voor als een fabriek die zichzelf voortdurend opnieuw inricht, afhankelijk van de beschikbare grondstoffen en energiebronnen. De machines veranderen, de productieverhoudingen verschuiven, maar ergens in die dynamische chaos blijft de totale boekhouding kloppen. Dat is de kern van wat onderzoekers hebben ontdekt bij Escherichia coli — de bacterie die in elk biologieboek staat, maar die nog altijd nieuwe geheimen prijsgeeft.
De studie, gepubliceerd in eLife, gebruikte Raman-spectroscopie om de moleculaire samenstelling van E. coli-cellen te meten onder tientallen verschillende groeiomstandigheden. Raman-spectroscopie is een techniek waarbij licht op cellen wordt geschoten en de manier waarop dat licht terugkaatst verraadt welke moleculen er aanwezig zijn en in welke hoeveelheden. Het levert een soort moleculair vingerafdruk op van een cel, zonder dat die cel hoeft te worden opengebroken.
De boekhouding die nooit klopt en toch altijd klopt
Wat de onderzoekers zagen, was dat de verhouding tussen de grote moleculaire bouwstenen — eiwitten, vetten, nucleïnezuren — opvallend stabiel bleef, ook als de cel enorm veel andere dingen aan het veranderen was. Die stabiliteit noemen ze ‘stoichiometrische conservatie’: de relatieve hoeveelheden van moleculaire bouwstenen veranderen wel, maar de onderlinge verhoudingen houden zich aan vaste architecturele regels.
Met behulp van machine learning konden de onderzoekers uit de Raman-spectra voorspellen hoeveel van elk type molecuul aanwezig was — zelfs onder omstandigheden die het model nog nooit eerder had gezien. Dat de voorspellingen klopten, bewijst dat er geen willekeurige chaos zit in hoe cellen hun moleculaire samenstelling aanpassen. Er is een structuur, en die structuur is meetbaar.
Voor de verouderingswetenschap is dit indirect maar niet onbelangrijk. Een van de hallmarks van celveroudering is het verlies van moleculaire homeostase — het vermogen van cellen om hun interne balans te bewaren. Als dat conservatiepatroon ook in menselijke cellen bestaat, en als het systematisch afwijkt bij verouderende of beschadigde cellen, zou dat nieuwe diagnostische mogelijkheden openen. Een cel die zijn moleculaire verhoudingen niet meer kan handhaven, is een cel die in de problemen zit.
Van bacterie naar mensencel
De sprong van een bacterie naar een menselijke cel is groot. Bacteriën zijn aanzienlijk eenvoudiger georganiseerd dan de cellen in ons lichaam. Maar de fundamentele biochemische logica — dat moleculaire verhoudingen worden geconserveerd als een mechanisme om homeostase te bewaken — is evolutionair oud en waarschijnlijk breed verspreid. Of dit principe ook opgaat in complexe eukaryote cellen, inclusief menselijke cellen die verouderen, is de vraag die dit onderzoek opent.