Nieuwe manier om beweging in cel te volgen

De nieuwe technologie, genaamd TARDIS, opent nieuwe mogelijkheden voor biologisch onderzoek, bijvoorbeeld naar de effecten van antibiotica of andere medicatie op de moleculaire processen in cellen. “Sommige antibiotica werken door bepaalde moleculaire machines in de cel te blokkeren”, vertelt Koen Martens, eerste auteur van de publicatie. De software maakt het mogelijk het gedrag van meerdere van die machines gelijktijdig te bestuderen en zo sneller inzicht te krijgen in de effectiviteit van een antibioticum.

Haperende film

Deeltjes in een cel zichtbaar maken met een biologische techniek kunnen wetenschappers al langer, bijvoorbeeld door er een soort fluorescerende balletjes aan te koppelen. “Maar daarmee kun je slechts één deeltje tegelijkertijd volgen”, zegt Martens. De biomoleculen bewegen namelijk razendsnel; sneller dan camera’s kunnen vastleggen. Dat resulteert in een soort haperende film met verspringende frames. Volg je één deeltje, is dat geen probleem: dan vul je de ontbrekende beweging zelf in. “Maar verspringen twee of meer deeltjes, die er op film precies hetzelfde uitzien, kun je niet met zekerheid zeggen welk deeltje op het eerste frame overeenkomt met welk deeltje op het volgende frame”, aldus Martens.

Kansberekening

Daar maakt nu computerrekenkracht zijn intrede. De ontwikkelde software maakt gebruik van kansberekening om het alle mogelijke paden van de deeltjes te calculeren, mede door rekening te houden met biologische dynamiek en natuurkundige krachten. Zo bepaalt het welk deeltje op elk frame overeenkomt met een deeltje op de opvolgende frames. Dat is behoorlijk nauwkeurig, volgens de onderzoekers. Ze testten de software op een bekende bewegingspatronen zoals diffusie, onder complexere omstandigheden dan eerder mogelijk was . “Ons programma berekende precies de juiste beweging”, aldus Martens. Daarvoor heeft de computer niet veel informatie nodig: slechts de coördinaten van de deeltjes op verschillende tijdstippen, zoals vastgelegd met een microscoop.

Voor het eerst kunnen globale bewegingspatronen in de cel helder worden gemeten. Johannes Hohlbein, universitair hoofddocent Biofysica, wijst echter op een beperking: “Eén specifiek deeltje, zoals een eiwit, live volgen is met deze methode niet meer mogelijk, maar we kunnen nu gegevens sneller verwerken”, verklaart hij. Zie het als een bovenaanzicht van een kudde schapen: de computer voorspelt hoe de kudde beweegt, maar volgt niet het pad van elk individueel schaap.

DNA-reparatie

Het idee voor de software ontstond in 2020 tijdens het promotieonderzoek van Martens in Wageningen “Zijn proefschrift was toen al zo lang dat er geen ruimte meer was voor dit onderzoek”, zegt Hohlbein. Daarom werkten Martens en Hohlbein het idee later uit, samen met collega’s aan Carnegie Mellon University en de universiteit van Bonn, waar hij momenteel werkt. Tijdens zijn huidige onderzoek past Martens zijn software al toe om DNA-reparatie te bestuderen in eencelligen. “Biologische interpretatie heb ik nog niet, maar ik kan met mijn software nu voor het eerst de reparatiekit in de cel van minuut tot minuut volgen”, aldus Martens.