Stichting FOM 20 januari 2010, 2010/04

Door botsen raken microtubuli spontaan geordend

De specifieke groeirichting van plantencellen wordt sterk bepaald door de ligging van zogenoemde 'microtubuli' in de cel. Deze stevige buisjes van tubuline-eiwitten vormen een sterk geordende structuur loodrecht op de groeirichting. Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben laten zien hoe deze structuur zichzelf in stand houdt. Hoewel de buisjes in alle richtingen kunnen groeien en krimpen, treedt een Darwiniaans selectieprincipe op. Door botsingen verdwijnen verkeerd georiënteerde microtubuli en overleven degenen met de goede oriëntatie. AMOLF groepsleider Bela Mulder publiceert deze resultaten samen met zijn voormalige postdoc Rhoda Hawkins en Simon Tindemans, die in 2009 promoveerde, op woensdag 20 januari in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Microtubuli in een cel
vergroten Figuur 1. Microtubuli in een cel
De geordende structuur van microtubuli in de `transversale corticale array'. De foto toont een klein deel van de corticale microtubuli in een tabakscel. (Opname: Jelmer Lindeboom, WUR)
Figuur 2. Mogelijke botsingen van microtubuli
vergroten Figuur 2. Mogelijke botsingen van microtubuli

Als twee microtubuli botsen, zijn er drie mogelijke uitkomsten (v.l.n.r.):
(a) ritsen, waarbij de inkomende microtubulus afbuigt en parallel aan de andere verder groeit; (b) een `catastrofe', waarbij de inkomende microtubulus schakelt van groei naar krimp; en (c) een kruising, waarbij beide microtubuli ongestoord hun weg vervolgen. Deze botsingen zijn in 2004 voor het eerst waargenomen in tabakscellen. Figuur 3. Simulatie bij lage en hoge dichtheid van microtubuli vergroten Figuur 3. Simulatie bij lage en hoge dichtheid van microtubuli
Snapshots van twee simulaties waarin microtubuli worden gevolgd in de tijd. Links is de buisjes-dichtheid laag en blijft het systeem dynamisch en instabiel. Er ontstaat geen voorkeursrichting voor de microtubuli. Rechts is door een hogere dichtheid wel een geordende structuur ontstaan. Ook dit systeem is dynamisch (microtubuli groeien en krimpen, verdwijnen en ontstaan), maar de microtubuli hebben een duidelijke, stabiele voorkeursrichting.
Levende cellen zijn goed georganiseerde, dynamische structuren, waarin microtubuli een belangrijke rol spelen. Deze dunne, stijve eiwitbuisjes met een doorsnede van 25 nanometer kunnen enkele micrometers lang worden. Hun lengte verandert voortdurend doordat ze op willekeurige momenten kunnen schakelen tussen periodes van groei en krimp. Soms verdwijnen ze door krimp, maar er worden ook voortdurend nieuwe microtubuli gevormd.

Microtubuli hebben verschillende functies. Ze faciliteren de celdeling, ze houden de celkern op zijn plaats en helpen plantencellen bij het bepalen en vasthouden van hun groeirichting. Voor dat laatste zorgen de 'corticale microtubuli' die gehecht zijn aan de binnenkant van het celmembraan. Kort na een celdeling oriënteren deze microtubuli zich vrijwel allemaal in een richting loodrecht op de groeirichting van de cel. De zo ontstane 'transversale corticale array' is een ordelijke structuur die dient als een soort rails voor de aanleg van de celwand in de juiste richting.

De onderzoekers van AMOLF zochten naar een mogelijk mechanisme achter deze geordende structuur van microtubuli in plantencellen. Omdat de microtubuli vastzitten aan het celmembraan, kunnen zij alleen bewegen door groei en krimp aan de uiteinden. Eerder onderzoek liet zien dat zo'n groeiend uiteinde kan botsen met een anders georiënteerde microtubulus. Wat er bij zo'n botsing gebeurt, blijkt af te hangen van de hoek waaronder de twee microtubuli elkaar raken. Is deze hoek kleiner dan ongeveer 40 graden, dan is `ritsen' het meest waarschijnlijk: de inkomende microtubulus verandert van richting en groeit parallel aan de andere microtubulus verder. Bij een grotere botsingshoek ontstaat juist vaker een 'catastrofe': de inkomende microtubulus schakelt van groei naar krimp. Een andere mogelijkheid, bij alle botsingshoeken is een `kruising': de inkomende microtubulus glipt over het obstakel heen en vervolgt zijn oorspronkelijke groeirichting.

Mulder en zijn collega's formuleerden een wiskundig model om het effect van herhaalde botsingen door te rekenen. Hoewel 'ritsen' ervoor zorgt dat botsende microtubuli dezelfde oriëntatie krijgen, blijkt dit effect nauwelijks van invloed op de vorming van de 'transversale corticale array'. Juist de botsingen waarbij een groeiende microtubulus overgaat in een krimpende, zijn bepalend voor de ordening. Deze wordt als het ware vervroegd met pensioen gestuurd: zijn levensduur is aanmerkelijk korter dan die van een microtubulus die geen botsingen ondergaat. De microtubuli die haaks groeien op de meerderheid van de microtubuli, botsen vaak en delven uiteindelijk het onderspit. Zo ontstaat via een Darwiniaanse selectieprincipe spontaan een voorkeursrichting voor de microtubuli. Wel blijkt dat er voldoende microtubuli aanwezig moeten zijn om de kenmerkende geordende structuur te bereiken. Dit klopt ook met experimentele waarnemingen: bepaalde eiwitcomplexen in de cel zorgen dat dit vereiste minimale aantal microtubuli inderdaad wordt aangemaakt. Met speciaal ontwikkelde computersimulaties kunnen de onderzoekers grote aantallen microtubuli individueel volgen over een langere tijd. Ook in deze simulaties blijken de parallel geordende microtubuli de `overlevers'.