Onderzoekers van de TU Delft slaagden in het bottom-up namaken van het zogeheten Min-systeem dat aan de basis ligt van prokaryotische celdeling. Het onderzoek staat in Nature communications.

Het Delftse team met Elisa Godino, Christophe Denalon en collega’s maakt onderdeel uit van het BaSyC-consortium, dat als doel heeft om een volledig synthetische cel te maken die zichzelf in leven kan houden en aan celdeling kan doen. De opbouw daarvan bestaat uit modules, zoals ATP-synthese, DNA-replicatie en celdeling. Op die laatste module hebben de Delftenaren zich gestort en nu hebben ze de eerste stap gezet in de kunstmatige celdeling.

Celdeling is een ingewikkeld samenspel van eiwitten en andere factoren die heel goed op elkaar afgestemd moeten zijn. Alle benodigde informatie in zo’n cel moet verdubbeld worden en in de twee uiteindes (polen) van de cel terechtkomen. Vervolgens vormt het eiwit FtsZ in het midden door polymerisatie de zogenoemde Z-ring, die zich vasthoudt aan het membraaneiwit FtsA. Die ring wordt strak getrokken (zoals bij het maken van ballondieren) en zo splitst het de cel in tweeën. De vorming van de Z-ring wordt aangedreven door het Min-systeem.

Het Min-systeem bestaat uit een drietal eiwitten – MinC, MinD en MinE – dat tussen de twee polen oscilleert aan de binnenkant van de celmembraan. MinE jaagt MinD op zodat de twee eiwitten steeds wisselen van richting, terwijl ze MinC passief meesleuren. MinC voorkomt dat FtsZ een ring kan vormen. Door de oscillerende bewegingen zorgt het Min-systeem dat er in het midden van de cel een lagere concentratie MinC is, waardoor FtsZ polymeriseert en de Z-ring kan maken.

Het Min-systeem is al eens geïntegreerd in bijvoorbeeld supported lipid bilayers (SLB’s), microdruppels en vetblaasjes (liposomen). Maar in die eerdere experimenten is steeds uitgegaan van van te voren gezuiverde Min-eiwitten. Wat de onderzoekers in deze studie laten zien is de mogelijkheid om in liposomen via stukken DNA de eiwitten te produceren en dat dit tot diezelfde oscillerende effecten leidt.

Voor de in-liposome eiwitsynthese gebruikten ze genen van E. coli en het Protein synthesis Using Recombinant Elements (PURE)-systeem. De liposomen – met een vetsamenstelling die op die van het E. coli-membraan lijkt – omsluiten de genen, het PURE-systeem, en wat extra ingrediënten. Vervolgens maakt deze kunstmatige cel de Min-eiwitten en zijn de oscillaties te zien (afbeelding), consistent met de eerdere onderzoeken. Ook is zichtbaar in de bijgevoegde filmpjes dat de eiwitten de liposomen kunnen vervormen.

Uiteindelijk testten ze ook of de tot expressie gebrachte Min-eiwitten interactie zouden aangaan met het FtsZ-eiwit op SLB’s. In de paper laten de onderzoekers zien dat de eiwitten, wanneer ze MinD en MinC tegelijk tot expressie brachten, konden voorkomen dat FtsZ en FtsA de Z-ring zouden vormen, precies wat de functie van MinC is. Het is zo voor de eerste keer aangetoond dat je de dynamiek van het Min-systeem aan de FtsZ en FtsA kunt koppelen.

De volgende interessante stap is alle vijf de eiwitten tegelijk tot expressie te brengen in liposomen. Daarvoor staan ze nog wel voor een aantal uitdagingen, waaronder hoe ze alle genen op een enkel DNA-molecuul moeten vastleggen waarvan je alle genen af kunt lezen. Het duurt dus nog wel even voor de eerste kunstmatige cel is gedeeld, maar het Min-imale begin is er.