Computerkracht van cellen

Cellen, zoals bacteriën of cellen in ons lichaam, moeten voortdurend informatie uit hun omgeving verwerken. Dit doen zij met behulp van biomoleculen zoals eiwitten en DNA die chemische reacties met elkaar aangaan. Kunnen deze reacties ook rekenkundige taken uitvoeren, zoals computers dat kunnen? En zo ja, hoe efficiënt zijn deze cellulaire computers dan? Pieter Rein ten Wolde, groepsleider van de Biochemical Networks groep bij Amolf, onderzocht samen met zijn collega Thomas Ouldridge van het Imperial College London de theoretische kaders waarbinnen zo’n cellulaire computer zou moeten functioneren.

Toestand kopiëren

In een eerste artikel, gepubliceerd op 7 april 2017 in Physical Review X, laten zij zien hoe relatief eenvoudige moleculaire processen die in levende cellen plaatsvinden, de toestand van een eiwit kunnen kopiëren naar een ander eiwit. In hun theoretische modellen en simulaties richtten de onderzoekers zich op een systeem dat cellen gebruiken om signalen door te geven van het oppervlak van de cel naar de kern van de cel. Receptoreiwitten op het oppervlak van de cel binden signaalmoleculen, zoals voedselmoleculen. Alleen als het receptoreiwit gebonden is aan een signaalmolecuul, wordt er een fosfaatgroep gezet op het boodschappereiwit dat het signaal de cel in transporteert. De toestand van het boodschappereiwit zegt zo direct iets over de toestand van het receptoreiwit, en is op die manier een kopie ervan.

Handvatten voor bouw

Het artikel in Physical Review X toont aan dat dit soort biochemische kopieeroperaties snel is, en weinig energie kost. Bovendien geeft het artikel aan de hand van theoretische analyses van dit systeem handvatten hoe je zelf kunstmatige, energie-efficiënte, op de natuur gebaseerde systemen zou kunnen bouwen die dit soort kopieerbewerkingen kunnen uitvoeren.

Complex kopieerwerk

In het tweede artikel, dat op 11 april 2017 is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, gaan de onderzoekers een stap verder. Ze beschouwen daar het kopiëren van een polymeer naar een ander polymeer. Dit gebeurt tijdens de replicatie van DNA, nodig voor celdeling, en tijdens de synthese van een eiwit: een proces waarin de informatie in het ene type polymeer – het DNA – wordt gekopieerd naar een ander polymeer – het eiwit, zoals je tekst van het ene papier kunt kopiëren naar het andere.

Betere kopie kost meer energie

Uit hun analyses concluderen de onderzoekers dat zo’n complex kopieerproces alleen maar kan plaatsvinden in systemen waaraan continu energie wordt toegevoegd. Dit nieuwe inzicht verklaart wellicht waarom het tot op heden nog niet gelukt is kunstmatige systemen te maken die zichzelf accuraat kunnen blijven kopiëren, een van de voorwaarden om kunstmatig ‘leven’ te maken. Tot slot tonen Ten Wolde en Ouldridge via theoretische modellen aan dat hoe accurater de kopie moet zijn, des te meer grondstoffen en energie er voor nodig zijn om hem te maken.

Thomas E. Ouldridge,1 Christopher C. Govern and Pieter Rein ten Wolde, The thermodynamics of computational copying in biochemical systems, Physical Review X 7 (2017)

Thomas E. Ouldridge and Pieter Rein ten Wolde, Fundamental Costs in the Production and Destruction of Persistent Polymer Copies, Physical Review Letters 118, (2017)