Moleculair ‘samoeraizwaard’ controleert plantengroei

Terwijl de groene natuur om ons heen een groeispurt inzet onthullen onderzoekers van AMOLF en Wageningen University & Research de geheimen van een bijzonder eiwit dat deze groei in goede banen leidt. De onderzoekers kwamen er met behulp van een slim simulatieprogramma achter hoe dit eiwit genaamd katanine te werk gaat. Ze publiceren hun bevindingen op 19 juni in het tijdschrift PNAS.

Katanine, genoemd naar het Japanse woord voor samoeraizwaard (katana), doet zijn naam eer aan. Het eiwit knipt de microtubuli – buisvormige eiwitstructuren die als steiger dienen voor de basisbouwstenen van planten zoals cellulose – op het juiste moment én de juiste plaats door. Mede daardoor groeien de microtubuli de goede kant op en sturen ze de verdere groei en deling van de plantencel – en dus ook de ontwikkeling van de gehele plant.

Uitstrekkende microtubuli
Microtubuli kunnen tot enkele tientallen micrometers lang worden. Ze bevinden zich langs de volledige binnenkant van het plantencelmembraan en strekken zich uit langs de binnenrand van de cel. De groei en deling van een plantencel gebeurt altijd loodrecht op de richting waarin de microtubuli zich uitstrekken. “Je kunt de cortical microtubule array (de steigerstructuur gevormd door de microtubuli, red.) vergelijken met een korset dat je kunt uitvouwen”, zegt Eva Deinum, eerste auteur van het artikel en werkzaam als universitair docent bij Wageningen University & Research (WUR). ‘Plantencellen staan aan de binnenkant onder grote druk, waardoor ze in alle richtingen willen uitzetten, groeien en delen. Het array bepaalt in welke richting dat gebeurt.’

Zelforganiserend mechanisme
Plantencellen zijn – zeker in vergelijking met dierlijke cellen – behoorlijk groot. Voor dierlijke cellen volstaat een centraal verdeelpunt voor microtubuli. Planten hebben echter een ander “decentraal” en zelforganiserend mechanisme nodig dat de groei van de microtubuli in goede banen leidt. Een mechanisme waarin het ‘samoeraizwaardeiwit’ katanine een sleutelrol blijkt te spelen.

Niet lukraak knippen
Lang werd gedacht dat dat katanine voor méér wanorde zorgt, want door de microtubuli in tweeën te knippen neemt het aantal vrijheidsgraden alleen maar toe. Deze conclusie blijkt te kort door de bocht. De groep van onderzoekers – allen AMOLF alumni – onder leiding van Bela Mulder, die al sinds 2006 op AMOLF het cortical microtubule array bestudeert, ontdekte dat het essentieel is dat het eiwit niet zomaar lukraak knipt. Het hanteert een vaste strategie die garandeert dat de buisjes allemaal in de juiste richting groeien. “De microtubuli zijn zo geprogrammeerd dat als ze botsen met elkaar – en elkaar dus raken – ze stoppen met groeien en zelfs gaan krimpen”, zegt Mulder. “Dat is het basismechanisme achter de ordening. Het katanine komt als achterwacht van dit basismechanisme in actie als twee microtubuli elkaar kruisen zonder te botsen. Als ze met andere woorden niet in dezelfde richting groeien. Hier zien we dat het eiwit doorgaans de bovenliggende microtubulus – de sliert die er het laatst is bijgekomen – doorknipt.”

De onderzoekers hebben daarmee de ‘katanineparadox’ opgelost. Ze toonden aan dat katanine een selectiemechanisme aanstuurt dat de ordening van de microtubuli – of het korset waarin ze liggen samengepakt – alleen maar versterkt.

Testen ‘in silico’
Cruciaal in het onderzoek was het simulatieprogramma dat de groep van Mulder gebruikte. Dit was oorspronkelijk door zijn vroegere promovendus Simon Tindemans ontwikkeld, en daarna uitgebreid en verfijnd door – destijds – promovenda Eva Deinum. Met dat programma konden ze zien hoe kleine variaties in het katanine-eiwit tot een radicaal ander knipgedrag leidde met totale wanorde als gevolg. De groep testte ‘in silico’ — in de simulaties — het effect van diverse denkbeeldige mutaties in de werking van het eiwit uit. Hieruit bleek dat enkel de natuurlijke, niet gemuteerde, variant de juiste knipstrategie bezat.

De hoge simulatiesnelheid, dankzij het slimmer algoritme, was bepalend voor het succes van het onderzoek, weet Deinum. “Hierdoor konden we tot tienduizend keer sneller simuleren dan de concurrentie. We werkten niet alleen veel sneller, maar konden ook veel meer variaties van externe parameters en omstandigheden testen. Ook op kwalitatief vlak maakten we daardoor het verschil. Zo konden we de voorwaarden waaronder het katanine-eiwit de ordening juist versterkt, nauwkeurig vastleggen.”

Referentie
Eva E. Deinum, Simon H. Tindemans, Jelmer J. Lindeboom, en Bela M. Mulder, How selective severing by katanin promotes order in the plant cortical microtubule array, PNAS (2017) | DOI: 10.1073/pnas.1702650114