Onderzoekers TU Delft ontwikkelen software om interactie tussen cellen te begrijpen

Onderzoekers van de TU Delft hebben software ontwikkeld die interacties tussen cellen kan voorspellen en visualiseren aan de hand van de betrokken moleculen. Een van de meest fascinerende en belangrijke eigenschappen van levende cellen is hun vermogen tot zelforganisatie. Door met elkaar te praten kunnen ze onder meer bepalen waar ze zich bevinden ten opzichte van elkaar, en of ze bepaalde genen uit of juist aan moeten zetten. Op deze manier zijn grote groepen cellen in staat om met elkaar samen te werken en zich te organiseren in allerlei soorten weefsels.

Het vermogen van cellen om met elkaar te praten, is essentieel voor leven. Het speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol bij de ontwikkeling van embryo’s, waarin cellen door middel van patroonvorming kunnen bepalen of ze hersencellen, spiercellen of huidcellen moeten worden. Door moleculen met elkaar uit te wisselen en aan de hand van die informatie patronen te vormen, kunnen groepen cellen hun eigen ontwikkeling sturen.

Dialoog
Een patroon ontstaat wanneer bepaalde genen in sommige cellen actief zijn, terwijl ze in andere cellen juist zijn uitgeschakeld. ‘Dit in- of uitschakelen van genen wordt gestuurd door de uitwisseling van moleculen’, legt onderzoeker Hyun Youk van de TU Delft uit. ‘Een cel stuurt zijn buurman bijvoorbeeld molecuul A, waarmee het zegt dat de naastgelegen cel een bepaald gen moet activeren. De buurman kan dan bijvoorbeeld iets terugzeggen door een molecuul terug te sturen, of hetzelfde (of een ander) molecuul naar een andere buurman sturen.’

Op deze manier ontstaat in een groep cellen een soort ‘cellulaire dialoog’ die de vorm aanneemt van een patroon. ‘Je kunt zo’n patroon visualiseren door de cellen waarin een gen is ingeschakeld een kleur te geven, en de cellen waarin hetzelfde gen is uitgeschakeld een andere kleur’, legt Youk uit. Cellen kunnen zich organiseren in allerlei soorten statische en dynamische patronen, bijvoorbeeld een soort zebrapad of een bewegende, spiraalvormige golf.

Elke cirkel stelt een cel voor die moleculen afscheidt (onzichtbaar in deze animatie). Verschillende kleuren vertegenwoordigen verschillende toestanden van twee genen. Wit = gen 1 uit & gen-2 uit, zwart = gen 1 aan & gen 2 uit , blauw = gen-1 uit & gen-2 aan, geel = gen-1 aan & gen-2 aan. In het begin van de video zijn de cellen ongeorganiseerd. Door met elkaar te communiceren, organiseren ze zich na verloop van tijd in complexe, spiraalvormige golven die continu in beweging blijven.

Golfpatroon
Een goed voorbeeld van een cellulaire dialoog is het gedrag van een amoebe genaamd Dictyostelium discoideum die in de grond leeft. Op het moment dat er weinig voedsel voorhanden is, beginnen verhongerende cellen hun naastgelegen soortgenoten een bepaald molecuul te sturen. Op die manier zwengelen de hongerige cellen een gesprek aan. De boodschap ‘we verhongeren’ verplaatst zich vervolgens als een spirale golf vanuit het centrum (de cellen die begonnen zijn met communiceren) naar de randen van de kolonie.

Door het golfpatroon weten de andere cellen waar ze naartoe moeten. Ze bewegen zich naar het centrum van de spirale golf en vormen zo een ‘vruchtlichaam’, dat de vorm aanneemt van een omhoog staande stengel. Die vorm maakt het voor de wind makkelijker om de amoeben mee te dragen naar een andere plek, waar hopelijk meer voedsel te vinden is.

Software
We weten al een tijdje dat cellen met elkaar kunnen praten door moleculen uit te wisselen en patronen te vormen. Maar het afluisteren van de gesprekken is ingewikkeld. Onderzoekers moeten erachter komen welke cel welk molecuul aanmaakt en in welke cel bepaalde genen zijn ingeschakeld, of juist niet. Dat vereist ingewikkelde en tijdrovende experimenten. ‘Met onze nieuwe software kun je cellulaire dialogen zichtbaar maken zonder experimenten te hoeven doen’, aldus Youk. ‘Dat maakt het veel makkelijker om deze processen te leren begrijpen.’

In de software kunnen onderzoekers invoeren welke moleculen een cel uitwisselt, en in welke hoeveelheden. De software berekent vervolgens welk patroon er ontstaat als een groep van deze cellen met elkaar praat, en visualiseert dit door middel van verschillende kleuren. Op dit moment werkt de software met twee verschillende moleculen. ‘Verrassend genoeg zagen we dat groepen cellen met alleen deze twee moleculen toch enorm complexe patronen kunnen vormen’, vertelt Youk. De onderzoeker beschrijft de software als een soort woordenboek. Zijn onderzoeksgroep heeft de software open source gemaakt, in de hoop dat andere onderzoekers het woordenboek gaan uitbreiden. Youk: ‘Uiteindelijk is het de bedoeling om alle moleculen die betrokken zijn bij cellulaire communicatie erin te zetten, zodat we beter leren begrijpen hoe cellen met elkaar praten.’