De snelheid waarmee complexe biochemische reacties verlopen in een klein volume, is sterk afhankelijk van dat volume. Daar kun je maar beter rekening mee houden als je bijvoorbeeld levende cellen wilt modelleren, schrijven onderzoekers van de Technische Universität München, Caltech en de UC Riverside in Nature Chemistry.

Ze hebben het experimenteel aangetoond door een soort klokreactie in elkaar te zetten met zeven verschillende DNA-fragmenten, die door twee enzymen worden afgelezen. Daarbij worden diverse RNA-fragmenten geproduceerd die via ingewikkelde feedbackreacties het afleestempo beïnvloeden. Als je een en ander slim op elkaar afstemt gaan de RNA-concentraties oscilleren, wat door fluoroforen op strategische plekken wordt vertaald naar een blauw knipperlichteffect.

Volgens de auteurs kun je het knippertempo adequaat omschrijven met een stelsel van 17 differentiaalvergelijkingen, waarin 24 parameters verwerkt zitten. Dat wil zeggen: zolang je werkt met een ruime hoeveelheid reagentia in een navenant watervolume.

Het eigenlijke experiment bestond uit het maken van een emulsie van dit water in olie, met waterdruppeltjes van een paar micrometer. In de praktijk worden zulke druppeltjes nooit allemaal even groot: in dit geval varieerden de volumes ruwweg tussen 16 picoliter en 33 femtoliter. Dat zijn volumina die aardig in de buurt komen van wat er in een levende cel zit.

En onder de microscoop kon je uitstekend zien dat die duizenden druppeltjes allemaal in een eigen tempo gingen knipperen.

Helemaal onverwacht was het niet. Of een reactie tussen twee moleculen wel of niet verloopt is altijd een kwestie van kansberekening, en in zo’n druppeltje zitten maar zó weinig moleculen dat die kansen net niet helemaal meer worden uitgemiddeld. Maar de tempoverschillen waren te groot om ze op die manier te kunnen verklaren.

De onderzoekers vermoeden dan ook dat het door verschillen in de beginconcentraties van de reagentia komt. Bij het maken van de emulsie is het óók een kwestie van kansberekening hoeveel exemplaren van een enzym in zo’n druppeltje belanden. En die druppeltjes zijn zó klein dat het zichtbaar uitmaakt of er een paar enzymmoleculen meer of minder in zitten.

De conclusie luidt dan ook dat je terdege moet uitkijken als je probeert om met dergelijke druppeltjes in vitro het gedrag van een levende cel na te bootsen.

Maar ze zien ook mogelijkheden voor een high-throughputsysteem. Je zou een emulsie kunnen maken waarin je de beginconcentraties bewust sterk laat variëren (bijvoorbeeld door het mengsel van tevoren sterk te verdunnen). Vervolgens kun je aan het knippertempo aflezen welke druppels een optimale verhouding van reagentia bevatten. Voorwaarde is dan wel dat je een manier moet vinden om de concentraties van die afzonderlijke reagentia te meten, maar dat moet met slom labelen wel voor elkaar te krijgen zijn.

bron: TU München, Nature Chemistry