In eukaryote cellen produceren specifieke organellen, de mitochondriën, ATP en fungeren daarmee als energiecentrales van de cel. Mitochondriën zitten net als de rest van de cel tjokvol met eiwitten. In de cel zorgt die drukte voor macromolecular crowding; het fenomeen waarbij een hoge eiwitconcentratie de diffusiesnelheid van eiwitten en andere (macro)moleculen vermindert. ‘Macromolecular crowding beïnvloedt alle reacties op een indirecte manier, doordat het de omgeving verandert waarin die reacties plaatsvinden’, zegt Werner Koopman, associate professor aan het Radboudumc in Nijmegen en gespecialiseerd in mitochondriële ziekten en bioenergetica.  

Simpel gesteld: Grote moleculen nemen fysiek meer ruimte in, waardoor er minder ruimte overblijft voor verplaatsing. Zo neemt bijvoorbeeld de kans dat twee reagerende moleculen elkaar tegenkomen af. In het cytosol zijn crowding effecten al experimenteel aangetoond, maar voor mitochondriën bleef het tot nu toe bij aannames. ‘De meeste eiwitten in mitochondriën zijn namelijk gebonden aan het binnenmembraan en dragen dus niet bij aan een eventueel crowding effect in de vloeistof die zich in de mitochondriële matrix bevindt’, aldus Koopman. ‘Dat er sprake is van crowding was al eerder gepostuleerd, maar nog nooit kwantitatief experimenteel aangetoond.’  

Mobiliteit

Koopman en co-onderzoeksleiders Merel Adjobo-Hermans (Radboudumc) en Wouter den Otter (Universiteit Twente) besloten voor dat experimentele bewijs te gaan. ’Dit is erg belangrijk met het oog op de interpretatie van resultaten verkregen onder reageerbuis condities, zonder crowding, want deze wijken sterk af van de natuurlijke situatie’. Het team concentreerde zich op de mobiliteit van GFP-fusiecomplexen (Green Fluorescent Protein) van verschillende groottes binnen de mitochondriën. Koopman: ‘In theorie wordt de mobiliteit van grote eiwitten uiteraard meer geremd dan die van kleine eiwitten, maar onze experimenten toonden aan dat deze remming disproportioneel toenam als functie van de eiwitgrootte.’ Dat effect is typisch voor macromolecular crowding.  

Maar de binnenmembraan van mitochondriën is sterk geplooid en dat zorgt voor fysieke barrières die de diffusie van eiwitten ook vertragen. Om dit effect te verminderen, werd het antibioticum chlooramfenicol (CAP) ingezet. ‘Daarmee verminder je het aantal cristae [plooien, red.] en dus zou je een snellere diffusie verwachten’, zegt Koopman. ‘Maar we zagen het tegenovergestelde. Toediening van CAP zorgde ervoor dat de GFP’s nog veel langzamer gingen bewegen.’  

’Buiten het mitochondrion gedragen deze moleculen zich heel anders, daar moet je rekening mee houden’

Ankerpunten

De vloeistof wordt dus stroperiger zodra CAP is toegediend, maar waardoor komt dat? ‘CAP remt de vorming van mitochondriële eiwitten’, zo legt Koopman uit. ‘Maar mitochondriën gebruiken daarnaast ook veel eiwitten vanuit het cytosol. Bijvoorbeeld Complex I, dat bestaat uit 45 subeenheden, waarvan het mitochondrion er maar zeven zelf maakt. Die zeven fungeren als ankerpunten waar de andere 38 aan hechten, maar als deze zeven ontbreken krijg je dus veel rondzwevende (sub)complexen. Hierdoor neemt de hoeveelheid macromoleculen in oplossing toe.’  

Nu is de grote vraag nog wat het effect is op het functioneren van de mitochondriën. Is er bijvoorbeeld een link te leggen tussen het optreden van crowding en bepaalde mitochondriële aandoeningen? ‘Nee, je kunt niet een-op-een stellen dat een gezond of ziek mitochondrion direct gerelateerd is aan een veranderde crowding.’ Duidelijk is wel dat je crowding moet meewegen bij de opzet en interpretatie van experimentele resultaten. Koopman: ‘Buiten het mitochondrion gedragen deze moleculen zich heel anders, daar moet je rekening mee houden. Ook als je bijvoorbeeld nadenkt over toepassingen in de synthetische biologie. Crowding heeft invloed, positief of negatief, en dat kun je in het algemeen niet negeren.’  

Elianne Bulthuis, Cindy Dieteren, et al., Stress-dependent macromolecular crowding in the mitochondrial matrix, EMBO Journal (2023)