Een kunstmatige cel

Het is gelukt een kunstmatige cel te maken met daarin kunstorganellen die de gecompartimentaliseerde werking van een cel nabootsen. Dit is een van de belangrijkste functies van een cel. De bevindingen zijn in Angewandte Chemie gepubliceerd door onderzoekers van de Radboud Universiteit.

In cellen vinden allerlei complexe reacties tegelijkertijd plaats op een klein oppervlak. De compartimenten – organellen – zorgen ervoor dat dit probleemloos kan gebeuren. Zo kunnen er bijvoorbeeld stoffen uit elkaars buurt worden gehouden die anders met elkaar zouden reageren. Zo vindt bijvoorbeeld de citroenzuurcyclus plaats in meerdere organellen, waaronder het ribosoom. In dit geval is sprake van een cascadereactie: een reactie zorgt ervoor dat een volgende weer mogelijk is en dit gaat zo verder.

Onderzoekers proberen dit al tijden na te bootsen om bijvoorbeeld meer te weten te komen hoe het leven ooit is overgegaan van chemie naar biologie. Al eerder is het gelukt om gecompartimentaliseerde reacties te laten plaatsvinden in microreactoren, maar meestal was er dan sprake van één bepaalde enzymatische reactie tegelijk. Het lukt hooguit om twee enzymreacties over twee compartimenten te laten plaatsvinden. Dit waren slechts hele simpele reactiepaden in vergelijking met een echte cel.

Het is de Nijmeegse onderzoekers nu gelukt om een cascadereactie van vier stappen gecompartimentaliseerd te laten plaatsvinden. Via het zelfde principe zijn langere reactieroutes zelfs mogelijk. Ze maakten kleine organellen van polymeren (polymeersomen) die zij in een grotere polymeersoom brachten. De kleine polymeersomen waren gevuld met bepaalde chemicaliën. In het eerste kunstorganel werd een substraat door het enzym PAMO (een oxidator) omgezet van een keton naar een methylester. Deze ester werd in een volgende cel door een lipase (een enzym dat esters hydrolyseert) afgebroken naar een alcohol. Hierna werd deze geoxideerd tot een aldehyde . Hierna vond spontaan beta-eliminatie plaats om een fluorescente stof te produceren. Detectie van de fluorescentie bevestigde het slagen van de cascadereactie.

In een apart experiment werd duidelijk gemaakt dat reacties inderdaad steeds in een afgesloten systeem plaatsvonden. Het lipase werd vervangen door een protease. Dit is een enzym dat niet alleen esters hydrolyseert, maar ook eiwitten afbreekt. Bij hogere temperatuur wordt deze functie driftiger uitgevoerd dan de hydrolyse. Bij tests zonder kunstorganellen bleek dit ook het geval te zijn. Bij kamertemperatuur verliep de cascadereactie nog wel, maar bij 37 °C bleek deze heel snel af te lopen. Toen de reactie daarna in de polymeersomen uitgetest werd, verliep deze nog wel efficiënt.

Een kanttekening is dat de reactie na 24 uur voor pas voor 10-25% verlopen was. Niet bepaald een efficientie die we van normale cellen gewend zijn. Volgens de onderzoers van de Radboud Universiteit komt dit door de slechte afstemming van de enzymen op de reacties. Misschien kunnen ze in de toekomst meer geoptimaliseerde reacties testen? Er is ieder geval een stap gezet in de goede richting.

Maast het uitvoeren van één type cascadereacties moet een cel meer doen – zoals het repliceren van DNA, het produceren van eiwitten of zelfreplicatie. Dit zijn echter processen die al nagebootst zijn door celmimics. ‘Door deze dingen na te bootsen, leren we levende cellen beter te begrijpen. En op een dag maken we zelf iets dat daar erg veel op lijkt,’ aldus Jan van Hest, leider van de onderzoeksgroep. En misschien maken wij de eerste echt levensvatbare kunstmatige cel nog wel mee?

Bron: Radboud Universiteit

Onderwerpen