Foto: Shutterstock Minuscule mechanische krachten spelen een belangrijke rol bij het functioneren van de plant, zoals bij de groei. Met de nieuwe methode kunnen onderzoekers deze onzichtbare krachten op de cellen voor het eerst in kaart brengen. ‘Jarenlang werd gedacht dat chemische reacties leidend zijn in het sturen van biologisch processen. Maar de laatste jaren is duidelijk geworden dat dit niet het hele plaatje is’, vertelt Dolf Weijers, hoogleraar Biochemistry. ‘Inmiddels weten we dat mechanische krachten ook een belangrijke rol spelen.’ Die krachten zorgen er bijvoorbeeld voor dat de plant zijn stengel versterkt zodat hij niet knakt en ze bepalen de vorm en groeirichting van de plant.
Tot nog toe was het echter onmogelijk om die krachten in de cel in kaart te brengen, omdat ze zo klein zijn dat onderzoekers het effect op de cellen niet konden meten. ‘En als je echt wilt snappen hoe het werkt, moet je kunnen meten wat er gebeurt’, vertelt Joris Sprakel, hoogleraar Physical Chemistry and Soft Matter. Hij werkt met zijn groep al jaren aan methoden om minuscule krachten te meten – onder meer met behulp van zelfgebouwde moleculen die van kleur veranderen als er druk op wordt uitgeoefend – maar nooit eerder in levende cellen.
Bijzondere samenwerking
Een aantal jaren geleden besloten Sprakel en Weijers de handen ineen te slaan. Een ongebruikelijke samenwerking: een bioloog en een fysisch chemicus zouden elkaar normaalgesproken niet zo snel treffen bij de koffieautomaat. Maar in Helix is dat wel mogelijk en het bleek een geslaagde kruisbestuiving. Het lukte de onderzoekers met hun groep een methode te ontwikkelen die de minuscule krachten in biologisch materiaal kan meten. Weijers: ‘We kunnen nu in levende plantencellen de krachten heel precies in kaart brengen en vertalen naar het gedrag van de cellen. Een delende cel splitst bijvoorbeeld precies door het midden. Maar hoe weet de cel wat het midden is? Daarbij spelen mechanische krachten een rol.’
Als je echt wilt snappen hoe het werkt, moet je kunnen meten wat er gebeurt. En dat kan nu
Joris Sprakel, hoogleraar Physical Chemistry and Soft Matter
Hele opgave
Het was volgens Sprakel geen gemakkelijke opgave. ‘Biologische processen zijn onvoorspelbaar. Eigenlijk is het een ongecontroleerde rotzooi vergeleken met de gestructureerde materialen waar ik normaal gesproken mee werk.’ Het bleek bijvoorbeeld dat de moleculen die hij in materialen gebruikt als meetinstrument, niet werken in cellen. Weijers: ‘Je stopt iets lichaamsvreemds in de plant en je wilt geen invloed uitoefenen op de cel: je probeert de natuurlijke situatie te meten.’ Er moesten andere, kleinere, moleculen komen die wateroplosbaar zijn en die in de cel gebracht kunnen worden.
Vervolgstappen
Het vakgebied mechanobiologie, dat de rol van fysieke prikkels in biologische processen onderzoekt, is bij microben en dieren al aardig in ontwikkeling. Maar bij planten staat het nog in de kinderschoenen. Weijers: ‘Nu we deze krachten beter in kaart kunnen brengen zien we weer allerlei nieuwe details en dat roept ook weer nieuwe vragen op om te onderzoeken. Je kan immers geen vragen stellen over dingen waar je het bestaan nog niet vanaf weet.’ Sprakel: ‘De eerste stap van het onderzoek was sterk gericht op de chemie: hoe kunnen we deze krachten zichtbaar maken? En waar zitten de krachten? Nu kunnen we verder kijken en beter begrijpen hoe het werkt.’ Daar gaan Weijers en Sprakel de komende jaren met hun gezamenlijke team mee aan de slag.
Het onderzoek is gepubliceerd in The Proceedings of the National Academy of Science USA. Lees hier de volledige publicatie.