3 mei 2018

Waarschijnlijk ook relevant voor ander transport in de cel

Virusinfectie blijkt kwestie van eenvoudige natuurkunde

De manier waarop sommige virussen hun DNA in een bacterie of andere soorten cellen injecteren blijkt simpeler gedacht. Geen moleculaire motoren of ingewikkelde mechanismes, maar eenvoudige natuurkunde doet het werk. Dit laat prof. Willem Kegel van de Universiteit Utrecht zien samen collega's van de Amerikaanse University of California (UCLA) en het California Institute of Technology (Caltech).

De snelheid waarmee het DNA van de faag in het celcytoplasma van de prooi kan bewegen, wordt eenvoudigweg bepaald door de natuurkunde van colloïdale systemen
Prof. Willem Kegel, Universiteit Utrecht

De drijvende kracht achter de eerste - heel snelle stap – is de hoge druk in het virus. De tweede stap – die veel langzamer verloopt – blijkt diffusie, een direct gevolg van de willekeurige beweging van atomen en moleculen. De onderzoekers vermoeden dat dit diffusie-mechanisme ook verantwoordelijk is voor andere transportprocessen in de cel ten tussen cellen. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Physical Review X.

Herpesvirussen

Elelektronenmicroscopie foto van een bacterie-cel geïnfecteerd door meerdere fagen
Elektronenmicroscopie foto van een bacterie-cel geïnfecteerd door meerdere fagen

Virussen hebben verschillende strategieën om hun DNA in de cel van een ‘prooi’ te krijgen, een noodzakelijke stap om zich kunnen vermenigvuldigen. In dit onderzoek is gekeken naar fagen, virussen die bacteriën infecteren. Zij injecteren hun gastheer op een vergelijkbare manier als bepaalde andere virussen, zoals herpesvirussen, die bij mensen erg vervelende verschijnselen veroorzaken.

Andere transportprocessen in de cel

“Wij verwachten dat het mechanisme dat we hebben gevonden een belangrijke rol speelt bij infectie door dit type virussen”, aldus onderzoeksleider prof. Willem Kegel van de Universiteit Utrecht. “Daarnaast denken we dat het gevonden diffusie-mechanisme ook verantwoordelijk is voor andere transportprocessen in de cel, zoals de overdracht van genen tussen bacteriën, eiwittransport in cellen, en het transport van messenger-RNA door de poriën van een celkern.”

Druk van 60 atmosfeer

Schematische weergave van een virus die zijn 'prooi' injecteert

Een faag bestaat uit een kop en een staart. De staart is de injectienaald, die de cel binnendringt. Het DNA zit in de kop van de faag strak opgevouwen onder een druk van ongeveer 60 atmosfeer. Dat komt overeen met zo’n 20 keer de druk in een hard opgepompte autoband, of de druk op ongeveer 600 meter onder water. Als de staart van de faag de cel is binnengedrongen, springt het ‘ventiel’ open en wordt het DNA met hoge snelheid in de cel geïnjecteerd. Hierdoor neemt de druk op het DNA in de faag snel af. De vraag was welke drijvende kracht dan zorgt dat ook het laatste stuk DNA in de cel komt.

Elektronen-microscopie foto van een faag (midden) met het vrijgekomen DNA

Verschillende processen

In een experiment bepaalden de onderzoekers de snelheid van het DNA-transport van faag naar cel voor identieke fagen waarin alleen de druk verschilde. In beide gevallen waren duidelijk twee stappen te onderscheiden. Berekeningen bevestigden het vermoeden dat de drijvende kracht in de eerste stap inderdaad de druk – en alleen de druk – is.

Beeld rechts: elektronenmicroscopie foto van een faag (midden) met het vrijgekomen DNA

Colloïdale oplossing

Schematische (boven) en experimentele (onder) weergave van de overdracht van fluorescent DNA van de kop van de faag naar de bacterie tijdens infectie
Schematische (boven) en experimentele (onder) weergave van de overdracht van fluorescent DNA van de kop van de faag naar de bacterie tijdens infectie

Nu is het cytoplasma een zogenaamde colloïdale oplossing: eiwitten en andere grote moleculen in een cel hebben colloïdale afmetingen en bewegen zich min of meer vrij in een waterige substantie. Kegel heeft veel onderzoek gedaan aan colloïdale systemen en dat maakte een goede vertaling van de experimentele gegevens naar een theoretisch model mogelijk.

Eenvoudigst denkbare scenario

Hiermee konden de onderzoekers aantonen dat de gemeten transportsnelheden verklaard kunnen worden door het eenvoudigst denkbare scenario: diffusie, oftewel de wanordelijke beweging van het geïnjecteerde DNA in het cytoplasma. “De snelheid waarmee het DNA van de faag in het celcytoplasma van de prooi kan bewegen, wordt dus eenvoudigweg bepaald door de natuurkunde van colloïdale systemen”, aldus Kegel.

Publicatie

Two-stage dynamics of in vivo bacteriophage genome ejection
Yi-Ju Chen, David Wu, William Gelbart, Charles M. Knobler, Rob Phillips en Willem K. Kegel
Physical Review X, 1 mei 2018, DOI 10.1103/PhysRevX.8.021029

Lees meer over het onderzoek van Willem Kegel