Wil je een werkende, levensechte synthetische cel bouwen, dan is een cytoskelet een onmisbaar onderdeel. Er wordt wat dat betreft al een tijdje aan de weg getimmerd, onder andere op basis van DNA, maar Sebastian Novosedlik, Jan van Hest en collega’s van de Technische Universiteit Eindhoven gooiden het over een andere boeg. ‘Wij benaderden het meer vanuit de polymerenhoek’, licht hoogleraar bio-organische chemie Jan van Hest toe. In samenwerking met het bedrijf SyMO-Chem en het Max Planck Instituut Erlangen wisten ze een polymeerskelet te bouwen dat verschillende natuurlijke functies laat zien.

Verrast

‘Ons celsysteem bestaat uit amylosepolymeren en polymeermembranen en om het geheel consistent te houden, keken we naar polymeerachtige vezels’, vervolgt Van Hest. ‘Onze eerste insteek was om kleine moleculaire systemen te gebruiken die zelf assembleren en vervolgens bundelen tot grotere filamenten. Dat was meteen heel succesvol.’ Wanneer de gevormde microvezels in aanraking kwamen met positief geladen polymeren ontstond er een mooi netwerk. Vergeleken met de DNA-cytoskeletten geeft het gebruik van polymeervezels meer controle en meer mogelijkheden tot functionalisering van het systeem, aldus Van Hest.

‘Voor de basis van onze synthetische cel gebruiken we amylosecoacervaten, een soort vloeistofdruppels met een mengsel van polymeren met een tegenovergestelde lading waardoor je fasescheiding krijgt. Ondanks dat hun dichtheid vergelijkbaar is met een echte cel, zijn ze dermate anders dat ze ook andere eigenschappen hebben.’ Het team werd daarom ook het meest verrast door het feit dat ze de mechanische eigenschappen van een levende cel zo effectief na konden bootsen.

Highthroughputsysteem

Met hulp van de confocale microscopen van Jochen Guck (MPI Erlangen) konden ze de eigenschappen van de synthetische en levende cellen vergelijken in een highthroughputsysteem. Van Hest: ‘De mechanische eigenschappen zijn essentieel voor interacties tussen cellen, dus die wilden we ook in ons systeem graag ophelderen. Maar met onze standaardtechnieken kun je slechts één cel per keer bekijken.’

Daarom schakelden ze de groep van Jochen Guck in, die met een hoge snelheid naar levende cellen kan kijken. ‘Ze hadden echter nog niet gewerkt met synthetische cellen, dus ook voor hen was het een nieuwe ervaring. Maar daardoor konden we wel vaststellen dat bijvoorbeeld de Young’s modulus mooi overeenkomt; je krijgt een duidelijk beeld van het gedrag van de cellen. Dat we de eigenschappen van het cytoskelet zo goed hebben kunnen nabootsen is echt wel heel uniek.’

Twee types

Bij het inbouwen van het skelet in de ‘cel’ was het goed opletten geblazen. ‘Afhankelijk van de modificaties aan de vezels zie je dat ze ofwel de hele binnenkant van de cel bedekken of het membraan stabiliseren’, zegt Van Hest. ‘Toen we dat eenmaal snapten, konden we gericht twee types van het cytoskelet ontwikkelen. Sebastian had daar een goed gevoel voor en heeft dat heel efficiënt aangepakt.’

Van Hest en collega’s werken dus met coacervaten als basis, maar er zijn meer systemen mogelijk. ‘We wilden weten of het gedrag van ons cytoskelet typisch is voor coacervaten of dat je het ook ergens anders kunt toepassen.’ Daarom bouwden ze het polymeerskelet onder andere in een groot liposoom en ook daar vormden de vezels een netwerk. ‘Het principe van cytoskeletvorming kun je dus eveneens in andere celtypen gebruiken, het is een robuust en veelzijdig systeem.’

Dynamisch

Ondanks alle plussen kleeft er nog wel een nadeel aan het Eindhovense cytoskelet, geeft Van Hest toe. ‘In het echt past een cytoskelet zich continu aan de veranderende omgeving aan, ook bij het vervormen en delen van de cel. Dat kan ons systeem niet, het is niet dynamisch. Als het eenmaal vastgelegd is dan kan het niet meer veranderen.’ Ze hebben dus een duidelijke vervolgstap voor ogen. ‘We willen onder het behoud van deze mechanische eigenschappen de stap maken naar een dynamisch systeem. Dán kom je in een gebied terecht met een cel die echt adaptieve interacties kan laten zien, het wordt dan nog meer “levend” dan wat tot nu toe is ontwikkeld.’

Novosedlik, S. et al. (2025) Nat. Chem. DOI: 10.1038/s41557-024-01697-5