20 maart 2017

Publicatie in Nature Communications

Quantum dots verhelderen het transport in de cel

Various transport processes studied using quantum dots
De verschillende transportprocessen die met quantum dots konden worden bestudeerd. Cyaan: snelle diffusie. Rood: langzame diffusie in een actine-netwerk. Groen: actief transport door motoreiwitten. Afbeelding: Anna Vinokurova

Biofysici van de Universiteit Utrecht hebben een strategie ontwikkeld om lichtgevende nanokristallen te gebruiken als marker in levende cellen. Door het filmen van de bewegingen van deze quantum dots konden zij de opbouw en dynamiek van het celskelet verhelderen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 21 maart in Nature Communications.

De quantum dots die de onderzoekers gebruikten, zijn bolletjes halfgeleidend materiaal van enkele nanometers groot, die veel in de belangstelling staan omdat ze in zonnecellen of computers toegepast kunnen worden. “Het mooie van deze bolletjes is dat ze licht opnemen en in een andere kleur weer uitzenden,” zegt onderzoeksleider Lukas Kapitein. “Die eigenschap gebruiken wij om hun bewegingen met een microscoop te volgen in de cel.”  

Daarvoor moesten de quantum dots wel eerst de cel in. Met bestaande techniek komen ze meestal in kleine blaasjes omhuld door een membraan in de cel terecht en kunnen ze niet vrij bewegen. Nu lukte het echter om de bolletje los in gekweekte cellen te brengen. Dat kregen de onderzoeker voor elkaar door een sterk elektrisch veld aan te leggen, waardoor er gaatjes ontstonden in de celmembraan. In hun artikel beschrijven ze dat deze elektroporatie inderdaad maakt dat de quantum dots los de cel in gaan.

Superfel

Onder invloed van diffusie gaan ze daar bewegen. Kapitein: “Sinds Einstein weten we al dat de beweging van zichtbare bolletjes informatie kan geven over de eigenschappen van de oplossing waarin ze bewegen. Tot nu toe liet onderzoek zien dat bolletjes in de cel vrij langzaam bewegen, wat er op wijst dat het cytoplasma dik en stroperig is. Omdat onze bolletjes superfel zijn, konden we heel snel filmen en zagen we ook veel snellere bewegingen die eerder niet zichtbaar waren. Wij maakten filmpjes met wel 400 plaatjes per seconde, meer dan 10 keer sneller dan in een normale film. Bij die meetsnelheid blijkt nu dat sommige quantum dots inderdaad langzaam bewegen, maar dat andere juist heel snel zijn.”

We zagen veel snellere bewegingen, die eerder niet zichtbaar waren.
Lukas Kapitein

Vooral de ruimtelijke verdeling tussen snelle en langzame quantum dots vindt Kapitein interessant: aan de randen van de cellen lijkt de vloeistof wel dik en stroperig, maar iets dieper in de cel zijn er meer snellere deeltjes. Kapitein: “Wij laten zien dat de langzame beweging ontstaat omdat de bolletjes gevangen worden in een dynamische netwerk van eiwitbuizen, zogeheten actinefilamenten die vooral aan de rand van de cel veel aanwezig zijn. Om te verplaatsen moeten de bolletjes door de mazen van het net.”

Motoreiwitten

Naast het bestuderen van dit passieve transport, hebben de onderzoekers ook een techniek ontwikkeld om de quantum dots actief voort te laten bewegen door ze specifiek te koppelen aan verschillende motoreiwitten. Deze motoreiwitten verplaatsen over microtubuli, de andere filamenten van het celskelet, en verzorgen het transport in de cel. Op deze manier konden ze onderzoeken hoe dit transport wordt beïnvloed door de dichte organisatie van het actinenetwerk aan de randen van de cel. Dit bleek per motoreiwit te verschillen, omdat ze over verschillende types microtubuli lopen. Kapitein: “Omdat actief en passief transport allebei heel belangrijk zijn voor het functioneren van cellen, zijn er al verschillende natuurkundige modellen voor het transport in cellen voorgesteld. Onze resultaten laten zien dat het noodzakelijk is om de ruimtelijke variaties in de cellulaire samenstelling mee te nemen in zulke natuurkundige modellen.”

Publicatie

Eugene A. Katrukha, Marina Mikhaylova, Hugo X. van Brakel, Paul M. van Bergen en Henegouwen, Anna Akhmanova, Casper C. Hoogenraad, Lukas C. Kapitein.
Probing cytoskeletal modulation of passive and active intracellular dynamics using nanobody-functionalized quantum dots.
Nature Communications, 21 maart 2017, DOI 10.1038/NCOMMS14772