3D-scans tonen hoe bacteriecellen eiwitproductie en -transport regelen

Een cel lijkt op een kleine, drukke stad: met fabrieken die producten maken en systemen die ze vervoeren. Tot nu toe konden wetenschappers vooral de losse onderdelen van die cel-stad bestuderen, maar niet goed zien hoe ze precies samenwerken. Onderzoekers van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, onder leiding van Julia Mahamid, brachten daar verandering in met behulp van cryo-elektronentomografie. Deze techniek maakt het mogelijk om razendsnel ingevroren cellen in 3D en tot in detail te bekijken.

Het team onderzocht de bacterie Mycoplasma pneumoniae, een simpel organisme dat vaak dient als model voor celbiologisch onderzoek. Met de beeldtechniek maakten de wetenschappers hoge-resolutiekaarten van honderden individuele cellen en telden ze hoe vaak ribosomen in verschillende werkstadia voorkwamen. Ribosomen zijn de moleculaire machines die eiwitten produceren op basis van de instructies in mRNA. Omdat eiwitten vrijwel alle functies in een cel uitvoeren, is beter begrip van dit proces relevant voor onderzoek naar ziekten en medicijnen.

Verrassende koppeling tussen aflezen en produceren

Onderzoeker Joe Dobbs en collega's ontdekten nieuwe complexen die transcriptie (het aflezen van DNA naar mRNA) rechtstreeks verbinden met translatie, het proces waarbij dat mRNA wordt omgezet in eiwit. Deze zogeheten 'supercomplexen' waren al jaren een vermoeden binnen de celbiologie, maar nu is er voor het eerst structureel bewijs voor gevonden. Ook zagen de onderzoekers ribosoomdelen die aan het celmembraan vastzitten, ook wanneer ze geen eiwitten produceren. Vermoedelijk laten deze onderdelen pas los zodra er weer geproduceerd kan worden, een mechanisme dat eerder ook al bij zoogdiercellen is waargenomen. Dat suggereert dat deze regeling al miljarden jaren behouden is gebleven, van bacterie tot mens.

Onbekende machine bij de celwand

In een tweede studie onderzocht Rasmus Jensen, ook werkzaam bij Mahamid's groep, wat er met eiwitten gebeurt nadat ze zijn geproduceerd. Door cryo-elektronentomografie te combineren met proteomica en computervoorspellingen van eiwitstructuren, ontdekte zijn team een nieuwe configuratie van het bekende Sec-translocon: een eiwitkanaal dat als een soort deur nieuwe eiwitten door het celmembraan naar buiten sluist. Daarnaast vonden de onderzoekers drie tot dusver onbekende eiwitten die zorgen voor correcte eiwitvouwing na transport, een proces dat cruciaal is omdat een eiwit alleen werkt als het de juiste driedimensionale vorm heeft.

Volgens Mahamid tonen beide onderzoeken vooral dat celbiologie een nieuwe fase ingaat. Decennia van onderzoek naar losse moleculen leverde gedetailleerde kennis op, maar de technologie om hun onderlinge samenspel te bestuderen ontbrak tot nu toe. De methode is voorlopig toegepast op een 'minimale' bacterie, maar de onderzoekers verwachten dat vergelijkbare technieken straks ook bij complexere organismen inzicht kunnen geven in hoe moleculaire gemeenschappen functioneren.