De cel als chemische reactor

Prof.dr. Wilhelm Huck
Hoogleraar Fysisch-Organische Chemie
Radboud Universiteit Nijmegen

1. Wat is de belangrijkste wetenschappelijke ontwikkeling in uw vakgebied?

De cel is de basiseenheid van alle leven. We weten inmiddels hoe de individuele bouwstenen als DNA en eiwitten functioneren op moleculair niveau. Een revolutionaire ontwikkeling in de techniek om hele genomen (en binnenkort hele epigenomen) in kaart te brengen heeft ervoor gezorgd dat we een ongelooflijke hoeveelheid nieuwe stroom van informatie hebben over de tienduizenden componenten van de cel en hun mogelijke interacties. Maar een cel is veel meer dan slechts de som van alle onderdelen. De menselijke cel is de meest ingewikkelde chemische reactor die er bestaat. Een bijzonder complex systeem van met elkaar verknoopte netwerken vormt het besturingssysteem van de cel. De cel is zo complex dat er een geheel nieuwe tak van wetenschap, de systeembiologie, is ontstaan die probeert om die kluwen in kaart te brengen. In de afgelopen jaren is enorme vooruitgang geboekt in het begrijpen van het functioneren van de cel als een complex systeem. Nieuwe ontwikkelingen in fluorescentiemicroscopie hebben het mogelijk gemaakt om de meest belangrijke processen in cellen (denk aan genexpressie en metabolisme)) ‘live’ te volgen. Hierdoor kan bijvoorbeeld de omzetting van DNA in messenger RNA (mRNA, transcriptie) en de productie van eiwitten gecodeerd door het mRNA (translatie) gevisualiseerd worden en wel op het niveau van enkele moleculen. De chemische biologie probeert met behulp van specifiek ontworpen moleculen reacties in de cel te beïnvloeden en kan hele netwerken aan- of uitzetten en voorzien van fluorescente kleurstoffen om ze zichtbaar te maken onder een microscoop. Het is nu ook mogelijk om wiskundige modellen op te stellen van de verknooptheid van genexpressie netwerken en zodoende de ‘toestand’ van een cel te beschrijven met behulp van wiskundige formules. Langzaam maar zeker krijgen we zo grip op het fundamentele functioneren van de cel als chemische reactor.

2. Op welke wetenschappelijke doorbraak hoopt u?

De kernvraag van mijn onderzoek is: hoe beïnvloedt de fysieke omgeving in een cel de chemie die in die cel plaatsvindt.

Ik ben van mening dat het niet mogelijk zal zijn om de cel werkelijk te begrijpen als we alleen maar naar de netwerken kijken vanuit een biologische optiek. We hebben ook een geheel nieuw begrip nodig van de chemische reacties zoals die in cellen plaatsvinden. De cel is namelijk niet zomaar een zakje eiwitten in waterig milieu. Als we een cel zouden bekijken op het niveau van moleculen, dan valt op dat bijna het hele volume in beslag genomen wordt door bijzonder hoge totale concentraties aan vezels, lipiden, en eiwitten, maar dat de meeste van deze eiwitten en zeker het DNA en RNA slechts in zeer geringe aantallen aanwezig zijn. Door deze hoge concentraties is het voor moleculen moeilijk vrij te bewegen, met andere woorden, de diffusiecoefficient voor grote eiwitten binnen cellen liggen vele ordes van grootte lager dan in verdunde oplossingen. Omdat het in de cel zo vol is worden de componenten van de cel gedwongen sterkere interacties met elkaar aan te gaan. Dit leidt tot een wezenlijk afwijkende situatie van chemie zoals wij die kennen: onze kennis van reacties is afgeleid van reacties in geroerde, verdunde oplossingen waar moleculen vrijelijk bewegen.

In mijn onderzoek maken we gebruik van picoliter druppels die als model voor een cel kunnen dienen en waarin we de omgeving en reacties binnen die cel kunnen nabootsen. Met andere woorden: we maken een soort kunstmatige cel in een water-in-olie ‘vinaigrette’ waaraan we systematisch experimenten kunnen aan de elementaire chemische processen die zich in een cel afspelen.

Mijn belangrijkste wetenschappelijke doorbraak is een nieuw begrip van celchemie en de implicaties daarvan voor het ontstaan en evolueren van de cel.

3. Wat is de waarde van uw vakgebied voor de samenleving

Een beter fundamenteel begrip van chemische reacties in de cel is uiteindelijk van cruciaal belang voor een nieuwe aanpak van bijvoorbeeld kanker en auto-immuunziekten. Als we precies weten hoe een cel functioneert en dit kwantitatief kunnen meten, kunnen we ook precies definiëren hoe een zieke cel afwijkt. In plaats van medicijnen te ontwikkelen die op één bepaald proces ingrijpen kunnen we de werking van medicijnen op de cel als totaal systeem in aanmerking nemen en daardoor veel efficiënter en met minder bijwerkingen ziekten bestrijden.

Kijk hier voor meer informatie.


Andere bijdragen in Cellen, DNA, Scheikunde