Biochemische processen verlopen in vivo soms onverwacht veel sneller dan in vitro. Kennelijk zitten in een cel de deelnemende moleculen zo veel dichter op elkaar dat de kinetiekconstanten niet constant meer zijn, melden Nijmeegse chemici in PNAS.

Het doet vermoeden dat het effect van concentraties op de kinetiek van biochemische reacties tot nu toe behoorlijk is onderschat.

Wilhelm Huck en collega’s bedachten een manier om die hoge concentratie op kunstmatige wijze te realiseren. Ze ontwierpen daarvoor een microfluidics-chip, die waterdruppeltjes van 27 micrometer diameter dispergeert in olie.

De druppeltjes worden in een apart compartiment van de chip geïmmobiliseerd boven een kunststof membraan. Onder dat membraan bevindt zich een verzadigde NaCl-oplossing. Door de osmotische druk zal een deel van het water uit de druppeltjes naar die zoutoplossing worden getrokken, zodat de druppels nog kleiner worden dan ze al waren.

In het water van de druppels los je lysaat van E.coli op. Dat is wat er van zulke bacteriën overblijft als nadat je enzymen hebt toegevoegd die hun celwanden afbreken. Bovendien doe je er een hoeveelheid polyethyleenglycol (PEG) bij.

Als de druppels osmotisch worden verkleind, lopen de concentraties van lysaateiwitten en PEG steeds verder op. Op een gegeven moment blijk je dan een fasenscheiding te krijgen. Eiwitten en PEG klonteren samen tot een zogeheten coacervaat, dat in het water ronddrijft en door hydrofobe krachten bij elkaar wordt gehouden.

De eiwitconcentraties in dat coacervaat zitten dicht bij die in de oorspronkelijke E.coli. “We kunnen zo het binnenste van een cel laten ontstaan zonder dat je daarbij een membraan nodig hebt”, zo vatte Huck het samen voor de lezers van de Volkskrant.

En in dat coacervaat verlopen sommige processen veel sneller dan je zou verwachten op basis van kinetiekparaneters die in vitro zijn gemeten. In Nijmegen hebben ze gemeten hoe snel de genetische code voor fluorescent GFP-eiwit werd afgelezen door T7 RNA polymerase en omgezet in messenger-RNA. Dat ging in het coacervaat zo veel sneller dan in de verdunde oplossing daarbuiten, dat de snelheids-‘constante’ k_ts een factor 5 à 6 moet verschillen.

Als zometeen blijkt dat iets dergelijks ook opgaat voor andere biochemische reacties, en dat het verband tussen die k’s en de concentratie misschien wel bij elke reactie anders is, dan werpt dat een geheel nieuw licht op de manier waarop cellen functioneren.

En er is nog een invalshoek: zou het gemak waarmee die coacervaten zich vormen, soms verklaren hoe de eerste protocellen zijn ontstaan vóórdat de evolutie de celwand uitvond?

bron: PNAS, de Volkskrant