Algemeen
Tijd, energie en opslagcapaciteit bepalen meetnauwkeurigheid van de 'celcomputer' volgens AMOLF
Levende cellen meten concentraties van moleculen (blauw) via biochemische netwerken bestaande uit eiwitten die met elkaar reageren. Onderzoekers van AMOLF hebben nu een theorie ontwikkeld die beschrijft hoe de meetnauwkeurigheid wordt bepaald door het aantal eiwitten, de meettijd, en de energie die het systeem verbrandt

Onderzoekers van FOM-instituut Amolf hebben ontdekt wat de nauwkeurigheid bepaalt waarmee cellen chemische concentraties kunnen meten. Of het nu gaat om bacteriën die voedsel zoeken, of menselijke cellen die zich differentiëren tot bijvoorbeeld een hersencel, alle levende cellen moeten kunnen reageren op signalen uit hun omgeving. Deze signalen bestaan uit chemische concentraties van nabije moleculen.

Cellen zijn in staat deze chemische concentraties met een ongekende precisie te meten dankzij receptoreiwitten aan hun oppervlak, die met de omgevingsmoleculen binden. Een netwerk van chemische reacties stuurt dit signaal vervolgens de cel in.

Deze netwerken zijn de informatieverwerkende machines van de levende cel, vergelijkbaar met een computer. Evenals een computer heeft het cellulaire systeem tijd, energie en opslagcapaciteit nodig om te functioneren. Een groot verschil tussen een computer en het cellulaire meetsysteem is dat celprocessen veel ruis vertonen, waardoor het niet duidelijk was hóe cellen concentraties met een hoge precisie kunnen meten.

De Amolf-onderzoekers hebben nu een theorie te ontwikkeld die de nauwkeurigheid van een concentratiemeting beschrijft, aan de hand van het aantal aanwezige eiwitten, de tijd en de energie die de cel in de meting steekt.

Celcomputer

De onderzoekers keken eerst naar passieve systemen in de celcomputer, die geen energie verbruiken. In deze systemen begrenst het aantal receptoreiwitten, de eiwitten die met moleculen kunnen binden, het aantal metingen dat de cel doet. De celcomputer middelt over dit aantal om de gehele molecuulconcentratie te bepalen.

Om een meer nauwkeurige schatting te maken van de concentraties, moet het celsysteem metingen uit het verleden onthouden. Dit vergt echter tijd, energie en andere eiwitten om de metingen op te slaan. Tot verrassing van de onderzoekers bleken deze drie onderdelen de meetnauwkeurigheid te bepalen als schakels in een keten. De precisie is begrensd door het onderdeel dat het minst aanwezig is.

Deze observatie bracht de onderzoekers op een voor dit soort systemen nog niet eerder geïdentificeerd ontwerpprincipe: in een optimaal meetsysteem zijn alle schakels even sterk. Het bleek dat het netwerk dat de bacterie E. coli in staat stelt voedsel te vinden, aan dit principe voldoet.

De onderzoekers verwachten dat deze ontwerplogica van cellulaire systemen ook gebruikt kan worden om efficiënte synthetische systemen en materialen te ontwikkelen.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven