Voortbeweging bij eencelligen

Voortbeweging bij eencelligen

Arjan Smeele Pascal Tjon Pon Fong TU Delft, sectie Mens-Machine Systemen Stage rapport November 2004

2

HE MICROBE is so very small You cannot make him out at all, But many sanguine people hope To see him through a microscope. His jointed tongue that lies beneath A hundred curious rows of teeth; His seven tufted tails with lots Of lovely pink and purple spots, On each of which a pattern stands, Composed of forty separate bands; His eyebrows of a tender green; All these have never yet been seen-But Scientists, who ought to know, Assure us that is must be so... Oh! let us never, never doubt What nobody is sure about! Gedicht van Hilaire Belloc (1870-1953)

Wie het kleine niet eert, is het grote niet weerd. Nederlands spreekwoord

3

Voorwoord Gedurende een periode van 11 weken hebben we stage gelopen aan bij de sectie MensMachine systemen aan de TU Delft. De stage opdracht bestond uit een literatuur onderzoek naar de voortbewegingmechanismen van eencelligen. Ons persoonlijk doel dat we hadden bij onze keuze voor deze stage was om een kijkje te kunnen nemen in de onderzoekswereld. Tijdens ons sollicitatie gesprek met Dr.ir.P. Breedveld werd ons verteld dat het de bedoeling was dat informatie niet alleen uit de literatuur verkregen zou worden maar ook door op bezoek te gaan en informatie te vergaren bij andere onderzoeksinstituten. Hierbij was het dus niet persé noodzakelijk om een vaste werkplek te krijgen binnen de onderzoeksgroep waar wij stage hebben gelopen. Wel hebben we toegang gekregen tot pc’s van de faculteit werktuigbouwkunde en maritieme techniek. Het was voor ons op deze manier veel gemakkelijker om toegang te krijgen tot artikelen die gepubliceerd zijn in wetenschappelijke tijdschriften. Normaal gesproken moet men eerst geabonneerd zijn om een artikel te mogen downloaden bij een bepaald tijdschrift. De TU Delft heeft al contracten afgesloten met veel tijdschriften zodat het voor studenten binnen de TU Delft mogelijk is om artikelen gratis te downloaden. Onze zoektocht naar informatie is begonnen met het verzamelen van zoveel mogelijk informatie over het onderwerp. In het begin is dit als het zoeken naar een speld in een hooiberg omdat er talloze onderzoeken zijn gedaan naar eencelligen. Maar al snel raakten we bekend met een aantal begrippen die gebruikt worden bij het voorbewegen en konden we gerichter gaan zoeken binnen de gepubliceerde artikelen. Voor onze stage hebben we bezoek gebracht aan een aantal onderzoeksinstituten. Zoals het microbiologisch laboratorium van de universiteit Wagingen en het laboratorium voor microbiologie van de Vrije Universiteit. Hier hebben wij gesproken met professoren over voortbewegingsmechanismen bij eencelligen. Ook kregen wij hier veel tips om gericht te zoeken naar bruikbare artikelen. Zo kan het bijvoorbeeld handig zijn om een review te zoeken over een voortbewegingsmechanisme. In een review wordt overzichtelijk samengevat wat er in een bepaald jaar allemaal ontdekt is over een bepaald onderwerp. Via de literatuurlijst die bij zo’n review kunnen dan de bijbehorende artikelen opgezocht worden. Artikelen kunnen met google opgezocht worden maar PubMed is volgens de professoren die wij gesproken hebben wel de zoekmachine voor wetenschappelijke artikelen. De werkwijze die we gevolgd hebben om tot de realisatie van dit rapport te komen is als volgt. In de eerste periode hebben we zo breed mogelijk in de literatuur naar informatie gezocht. Nadat we een goed beeld hadden verkregen van de beschikbare informatie zijn we overgegaan tot het bedenken van een logische indeling van het rapport, dus realisatie van de inhoudsopgave. Vervolgens zijn we met de inhoudsopgave als kapstok van ons rapport de hoofdstukken gaan uitwerken. Onze dank gaat vooral uit naar Paul Breedveld, onze stage begeleider, die ons vele adviezen heeft gegeven en tussentijds vele verbeteringen aan ons rapport heeft toegevoegd.

4

Verklarende woordenlijst Axoneem

Een stelsel van proteïnen, die de kern vormt van (protisten) flagella en cilia. In feite vormt het axoneem de machinerie waarmee de flagella en cilia kunnen bewegen.

Axopodium

Flagella- / cilia-achtige structuren die de Heliozoa gebruiken om over een ondergrond te rollen.

Bacterie

Een ééncellig micro-organisme, behorend tot de prokaryoten.

Cilium

Een structuur die ook wel aangeduid wordt als “trilhaartje”. Bepaalde soorten protisten gebruiken cilia om door een vloeistof te zwemmen. Cilia staan dicht opeen. Hoewel ze kleiner zijn dan eukaryote flagella, zijn beide structuren hetzelfde opgebouwd.

Cytoplasma

De vloestof in een cel.

Dyneïne arm

Het “motormolecuul” in het axoneem. Dit molecuul maakt het mogelijk dat de paren microtubuli ten opzichte van elkaar kunnen glijden.

Endoplasma

Het meer naar binnen gelegen cytoplasma.

Eukaryoot

Grieks: eu =goed en karuon = noot, celkern. Deze cel bezit een kern en andere organellen. Bij plantaardige cellen is de celvloeistof omgeven door een cel- membraan en een celwand. Bij dierlijke cellen ontbreekt de celwand.

Filopodium

Een heel dun pseudopodium.

Flagellum

Een structuur die ook wel aangeduid wordt als ‘zweepstaart’. Zowel prokaryoten als eukaryoten kunnen flagella gebruiken om door een vloeistof te zwemmen. Hoewel het prokaryote flagellum en het eukaryote flagellum functioneel gezien overeenkomen, verschillen ze qua opbouw fundamenteel.

Lamellipodium

Een breed en platgevormd pseudopodium.

Laminaire stroming

Dit treedt op wanneer een lichaam zich langzaam door een vloeistof heenbeweegt. De stroming van de vloeistof dichtbij het lichaam beweegt dan parallel aan het lichaam.

Mastigonemata

De korte haarachtige structuren waarmee de flagella van sommige soorten protisten bedekt zijn. De mastigonemata bewegen in het zelfde vlak als de flagella.

5

Metaboly

De protist Euglena bewegen zich voort door hun lichaam te vervormen. Deze beweging is typisch voor deze soort en wordt de metaboly genoemd. Ze gebruiken het om hun zwaartepunt te verplaatsen, wat resulteert in een beweging.

Microtubule

Een uit het proteïne “tubuline” opgebouwd buisvormige structuur. Deze structuur is een onderdeel van het axoneem.

Mitochondriën

Zorgen in eukaryotische cellen voor de energieproductie. Gedacht wordt dat mitochondriën eerst bacteriën waren die later zijn opgenomen in de eukaryotische cel.

Pellicle

Specifiek voor de Euglena: een dunne flexibele laag bestaande uit spiraalsgewijs gevormde eiwitten die in stroken overlappend over elkaar heen lopen en zo de richels en groeven van de celwand vormen.

Peripheral cytoplasma

Het tegen de celwand aan gelegen cytoplasma.

Pilus

Uitsteeksel waarmee bepaalde bacteriën zich voortbewegen. De bacterie steekt de pilus uit, deze hecht zich aan de ondergrond, en de bacterie trekt zich aan de pilus op.

Prokaryoot

Grieks: pro = voor en karuon = noot, celkern. Een primitief gebouwde cel. Er is geen kern aanwezig. Het erfelijk materiaal (DNA) ligt los in de celvloeistof. Ook andere celorganellen ontbreken. De celvloeistof is omgeven door de celmembraan en de celwand. De bacteriën behoren tot deze groep.

Protist

De eencelligen onder de eukaryote micro-organismen. Er is een grote verscheidenheid aan protisten en ze kunnen in verschillende milieus voorkomen.

Pseudopodium

Uitstulping die onder andere de Amoeba gebruiken om zich voort te bewegen.

Reynolds-kengetal

De verhouding van de krachten ten gevolge van traagheidsweerstand gedeeld door de viscositeit. Het Reynolds-kengetal is een belangrijk concept bij de stromingsleer.

Traagheidsweerstand

Wanneer een lichaam versneld wordt, dan zal dat lichaam zich verzetten tegen de oorzaak van de versnelling, namelijk de erop uitgeoefende kracht. Dit heet traagheidsweerstand.

Viscositeit

Een eigenschap van vloeistoffen die aangeeft hoe snel de vloeistof kan stromen. Dit wordt ook wel stroperigheid genoemd.

6

Inhoudsopgave Voorwoord Verklarende woordenlijst Inhoudsopgave

IV V VII

1

Inleiding

8

2

Voortbewegen op kleine schaal 2.1 Introductie 2.2 Zwemmen als je klein bent 2.3 Leven met lage Reynolds getallen

9 9 9 10

3

Onderverdeling van eencelligen

12

4

Voortbeweging bij bacteriën 4.1 Zwemmen met zweepstaart 4.1.1 Introductie 4.1.2 Toepassing van de schroef: bacteriën waren ons voor 4.1.3 De onderdelen van het flagellaire apparaat 4.1.4 Het gebruik van flagella bij diverse soorten 4.2 Zwemmen zonder zweepstaart 4.3 Voortbewegen door te glijden 4.3.1 Introductie 4.3.2 Groepsgewijze vorm van glijden 4.3.3 Individuele vorm van glijden 4.3.4 Glijden door eiwit verplaatsing in de celwand

13 13 13 13 15 18 20 21 21 21 22 23

5

Voortbeweging bij protisten 5.1 Zwemmen met zweepstaart 5.1.1 Introductie 5.1.2 Opbouw flagellum / cilium 5.1.3 Bewegingen van flagella 5.1.4 Bewegingen van cilia 5.1.5 Machinerie van de flagella en cilia 5.1.6 Voortbewegen met axostyle 5.1.7 Lopen met flagella en cilia 5.1.8 Kartagener syndroom 5.2 Voortbewegen door uitstulpingen 5.3.1 Introductie 5.3.2 Voortbeweging bij amoebes 5.3.3 Voortbeweging van cellen binnen ons menselijk lichaam 5.3.4 Voortbeweging bij Ascaris sperma cel 5.3.5 Voortbeweging bij Foraminifera 5.3 Voortbewegen door zwaartepuntverplaatsing

25 25 25 25 26 28 29 31 32 32 33 33 33 35 37 38 39

6

Discussie

41

7

Samenvatting

43

literatuurlijst

45

Bijlage I Bijlage II

Informatieverwerkende bacterie Obstakels omzeilende protist

46 50

7

Hoofdstuk 1: Inleiding Binnen het darmonderzoek aan de sectie Mens-Machine Systemen van de faculteit Werktuigbouwkunde van de TU Delft worden er nieuwe systemen en prototypes vervaardigd ter verbetering van medische instrumenten. Hiertoe is niet lang geleden onder leiding van Dr.ir.P. Breedveld een bijzonder stuurbare endoscoop ontwikkeld. Het stuurmechanisme, waarop octrooi is aangevraagd, is gebaseerd op de tentakel van een inktvis en kan zeer klein worden uitgevoerd (zie de figuren 1.1 en 1.2). Het prototype heeft thans een diameter van 5mm. Verdere miniaturisatie lijkt echter geen probleem te zijn zodat toepassing voor hartchirurgie ook binnen de mogelijkheden ligt. Eén van de doelstellingen bij het ontwikkeling van zo’n mechanisme is dat het geïnspireerd moet zijn door mechanismen zoals die in de natuur zijn te vinden. Hiervoor is veel literatuurstudie naar deze mechanismen vereist. Dit rapport zal daarom een overzicht geven van de gevonden voortbewegingsmechanismen bij eencelligen. Eencelligen zijn zeer klein in omvang, veel kleiner dan een millimeter en dus niet zichtbaar met het blote oog. De Nederlander Antoni van Leeuwenhoek was de eerste die deze organismen bestudeerde. In de zomer van 1674 nam Van Leeuwenhoek een beetje troebel water uit een meer vakbij zijn huis in Delft en bestudeerde dat door een microscoop die hij zelf in elkaar had gezet. Er openbaarde zich een nieuwe wereld van organismen die tot dan toe onzichtbaar waren geweest. Eén van de meest opvallende eigenschappen van de organismen die Van Leeuwenhoek observeerde, was hun wonderbaarlijke gedrag en beweging. In dit rapport zullen de verschillende mechanismen besproken worden die door eencelligen worden gebruikt om zich voort te bewegen. In hoofdstuk 2 zal duidelijk worden gemaakt dat beweging door een vloeistof voor een eencellige heel anders voorgesteld moet worden dan we gewend zijn. Vervolgens zal er in hoofdstuk 3 een verdeling worden gemaakt onder de eencelligen op basis van bepaalde karakteristieke eigenschappen. Hoofdstuk 4 bespreekt de voortbewegingsmechanismen van bacteriën. Hoofdstuk 5 bespreekt de voorbewegingsmechanismen van protisten, welke zich duidelijk van bacteriën onderscheiden door de aanwezigheid van een celkern. Vervolgens zal er in de hoofdstuk 6 gekeken worden of er mechanismen zijn bij eencelligen die toegepast zouden kunnen worden in een medisch instrument. Vervolgens wordt in de samenvatting alles nog eens bondig doorgenomen. Na de samenvatting volgen er nog een aantal bijlagen met informatie over de wijze waarop bacteriën de weg kunnen vinden naar hun voedingstoffen.

Figuur 1.1: Doorsnede van een inktvis arm. Doormiddel van een krans van spieren is de inktvis in staat de arm in allerlei richtingen te buigen [Breedveld et.al., 2005].

Figuur 1.2: Nieuw ontwerp van het buigzame gedeelte van een endoscoop. Ontwerp is tot stand gekomen door inspiratie van de inktvis arm [Breedveld et.al., 2005].

8

Hoofdstuk 2: Voortbewegen op kleine schaal 2.1 Introductie Overal om ons heen leven talloze organismen die wij niet met het blote ook kunnen waarnemen. De eencelligen vertegenwoordigen het grootste deel van alle organismen op aarde. Ze bevinden zich in de grond, in het water en er zijn zelfs meer bacteriële cellen dan menselijke cellen in ons eigen lichaam. Eencelligen komen op plekken voor waar grotere organismen niet zouden kunnen overleven. Zo zijn er bacteriën gevonden uit grondmonsters van boringen op honderden meters diep. Eencelligen hebben een grote invloed op ons milieu, zo zorgen ze voor een groot gedeelte van de zuurstofproductie en breken ze planten en dierenresten af, waarbij er weer voedingsstoffen vrijkomen. Een eencellige is zo klein dat hij voor de verdeling van voedingstoffen door de cel slechts gebruik hoeft te maken van diffusie. Voor organismen groter dan 1 micrometer voldoet diffusie niet meer. Deze zijn afhankelijk van een vatenstelsel. Tevens is het voor eencelligen niet nodig om speciale structuren aan te maken als kieuwen of longen voor de opname van voedingsstoffen. Dit komt door hun gunstige oppervlakte/volume verhouding. Bewegen is een efficiënt middel om voedingstoffen, licht of een partner te vinden. Eencelligen kunnen op eigen kracht niet ver komen, maar dat is ook niet nodig. Het chemische milieu verandert namelijk al aanzienlijk over een afstand van slechts een millimeter. 2.2 Zwemmen als je klein bent Veel eencelligen leven in een vloeistof. Door hun kleine afmeting moeten ze hier echter heel anders doorheen bewegen dan wij dat zouden doen. Dit komt doordat de eigenschappen van vloeistoffen op microschaal een hele andere invloed hebben dan op macroschaal. Viscositeit of stroperigheid is een eigenschap van vloeistoffen die aangeeft hoe snel de vloeistof kan stromen. Als een object zich door een stilstaande vloeistof voortbeweegt, dan moet de vloeistof er rond omheen worden geleid, zodat er aan de voorkant ruimte ontstaat en de ruimte erachter wordt opgevuld. De snelheid van het object wordt tegengewerkt door de traagheidsweerstand van de vloeistof. Deze wrijving die de stroming van de vloeistof tegenwerkt is de viscositeit van de vloeistof. Het gedrag van een vloeistof is gelijkmatig en voorspelbaar als het heel langzaam langs een vast object vloeit (zie figuur 2.1). Alle deeltjes bewegen zich vrijwel parallel ten opzichte van elkaar. De vloeistof aangrenzend aan het object beweegt niet ten opzichte van het object, maar de daaraan grenzende deeltjes glijden er langs. Daarbij is de stroming van de vloeistof dichtbij het lichaam parallel aan het object. Deze gelijkmatige beweging van de vloeistof heet laminaire stroming. Als het object met toenemende snelheid door de vloeistof beweegt dan veranderd de laminaire stroming. De vloeistof moet steeds sneller uit de weg en sneller achteraan aansluiten en uiteindelijk weer tot stilstand komen achter het object. Bij een bepaalde snelheid is de weerstand van de vloeistof zodanig dat deze niet meer snel genoeg laminair om het object kan stromen. Het stromingspatroon gaat dan over in golven en wervelingen en er ontstaat turbulentie. Het stromingspatroon wordt dan onvoorspelbaar. De aanzet tot turbulentie kan voorspeld worden door het kengetal van Reynolds. Het ontstaan van turbulentie kan verklaard worden door een verandering in het aandeel van viscositeit en traagheidsweerstand. Bij lage snelheden kan de vloeistof makkelijk wegstromen van het object en ondervindt het weinig weerstand. Er treedt een laminaire stroming op. Bij laminaire stroming overheerst viscositeit dus over traagheidsweerstand. Als het object sneller beweegt moet de vloeistof ook sneller gaan stromen. Er treedt nu echter traagheidsweerstand op die de stroming van de vloeistof tegen gaat werken. Bij turbulentie overheerst dus de traagheidsweerstand over de viscositeit van de vloeistof. 9

R=10-2

R=20

R=100

Figuur 2.1: Bij lage Reynoldskengetallen (R =< 1) treed er een gelijkmatige en laminaire stroming op. Bij hogere snelheden en dus ook hogere Reynolds-kengetallen ontstaan er wervelingen en neemt de stroming chaotische vormen aan. Uiteindelijk zullen deze stromingen opbreken in turbulentie (nagetekend uit [Dusenbery, 1996]).

R=10.000

R=1000.000

2.3 Leven met lage Reynolds getallen Het Reynolds-kengetal is een belangrijk concept bij het bestuderen van stroming en is gelijk aan de verhouding van de krachten ten gevolge van traagheidsweerstand gedeeld door de viscositeit. De krachten ten gevolge van de traagheidsweerstand zijn gelijk aan het product van de volgende factoren: - de dichtheid van de vloeistof, - de lengte van een bepaald object (de afstand waarover de vloeistof het object moet ontwijken), - de snelheid van de vloeistof ten opzichte van het object. Dit product, gedeeld door de viscositeit, is het Reynolds-kengetal. Dit getal heeft geen dimensie omdat alle eenheden tegen elkaar zijn weggevallen. Het voordeel van het Reynoldskengetal is dat het stromingspatroon bij een bepaald getal vaststaat, ongeacht de onderlinge verhouding van de viscositeit, dichtheid of snelheid onderling. De overgang waarbij er turbulentie op kan treden liggen bij Reynolds-kengetallen tussen de 1 en 10.000. Eencelligen hebben een Reynolds-kengetal dat zich ver beneden de 1 bevindt, zo rond de 10-4. Ze zullen dus zeker geen last hebben van turbulentie. Vrijwel alle andere dieren hebben hoge Reynoldskengetallen en ondervinden dus turbulentie. De viscositeit van water zou 1011 keer zo hoog moeten zijn als we als mens hetzelfde Reynolds-kengetal wilde hebben als een eencellige. Als de lucht zo’n viscositeit had, dan zou een menselijk lichaam naar beneden vallen met een snelheid van slechts een millimeter per uur. Het is dus duidelijk dat eencelligen geen hinder ondervinden van traagheidsweerstand omdat in hun wereld de viscositeit van veel groter belang is. Een aspect bij lage Reynoldskengetallen is dat de stroming omkeerbaar is. Door deze omkeerbaarheid kan een eenvoudige voorwaartse en achterwaartse beweging van een buigzame structuur niet in voortbeweging resulteren. Een kamschelp bijvoorbeeld, zwemt door zijn twee kleppen open en dicht te doen. Het dier stuwt zich schoksgewijs achteruit omdat de snelheid van openen en sluiten niet gelijk is: de kleppen gaan langzaam open en sluiten heel vlug. Dat snelle dichtgaan produceert een krachtige waterstraal en de traagheidsweerstand daarvan stuwt de schelp achteruit. Een kleine kamschelp in een omgeving met een laag Reynolds-kengetal zou zich niet op deze manier 10

kunnen bewegen, omdat de traagheidsweerstand te laag zou zijn. Deze theorie heet de “schelptheorie” [Purchell, 1973]. Sommige cyclische bewegingspatronen, zoals bij de kamschelp, kunnen in omgekeerde richting plaatsvinden aangezien één helft van de cyclus hetzelfde bewegingspatroon heeft als de andere helft, maar dan in omgekeerde volgorde (AÆBÆCÆBÆA). Er zijn ook cyclische patronen die niet in omgekeerde richting plaats vinden, maar via een reeks van vormen die verschillen van de voorgaande (AÆBÆCÆDÆA). Mogelijke bewegingsvormen zijn te zien in figuur 2.2. Bij lage Reynolds-kengetallen zal een organisme alleen kunnen voortbewegen met een cyclus die niet in omgekeerde richting plaats kan vinden. Iedere niet omkeerbare verandering in vorm resulteert in een netto beweging. Bij sommige niet omkeerbare bewegingspatronen schiet een organisme op veel efficiëntere wijze vooruit dan bij andere patronen. De meest efficiënte manier is moeilijk te voorspellen.Verschillende typen zwemmende eencelligen gebruiken uiteenlopende soorten van vormveranderingen om zich door een vloeistof voort te bewegen

A

B

C

B

A

C

D

A

1

A

B

2

Figuur 2.2: Bewegingspatronen van een lichaam bestaande uit drie stangen. 1:Schematische weergave van een omkeerbare cyclische beweging waarbij volgens de schelp theorie netto geen beweging op zal treden. 2: Niet omkeerbare cyclische beweging waarbij er netto wel beweging mogelijk is.

11

Hoofdstuk 3: Onderverdeling van eencelligen Vroeger werden eencelligen niet gezien als een aparte soort. Eencelligen die fotosynthese uitvoerden, werden geclassificeerd in het plantenrijk, en eencelligen die voedsel verteerden, werden in het dierenrijk geplaatst. In de 19e eeuw, echter, hadden wetenschappers een groot aantal eencelligen geïdentificeerd met diverse celstructuren, zeer specifieke interne structuren en special reproductieve patronen, waardoor ze zich realiseerden dat deze organismen nog tot het planten-, nog tot het dierenrijkdom behoren. Eencelligen worden op dezelfde wijze als planten en dieren ingedeeld naar hun celkarakteristieken. Er kunnen twee soorten eencelligen worden onderscheiden. De eerste soort wordt prokaryoten genoemd. Karyot betekend kern, prokaryot betekend dus “voor de kern”. Prokaryoten zijn omgeven door een membraan, maar ze bevatten geen organellen of celkern. De tweede soort wordt eukaryoten genoemd wat “echte kernen” betekent. De cellen die tot de eukaryoten behoren bevatten kernen en andere interne organellen zoals, mitochondriën die omgeven zijn door een membraan. Mitochondriën zorgen in eukaryotische cellen voor de energieproductie. Gedacht wordt dat mitochondriën eerst bacteriën waren die later zijn opgenomen in de eukariotische cel [Margulis, 1981]. Bacteriën zijn eencellige prokaryote micro-organismen. Bacteriën zijn heel belangrijk voor andere organismen, omdat ze organische materie afbreken. Tijdens dit proces worden er voedingsstoffen gevormd, die hergebruikt worden door planten en dieren. Sommige bacteriën kunnen ziektes veroorzaken, maar de meeste zijn zeer bruikbaar omdat ze dieren helpen bij de afbraak van voedsel in hun lichaam. Bacteriën verschillen van andere cellen omdat ze geen kern hebben. Bij planten en dieren kun je in de kern het DNA (waarin zich de genetische informatie bevindt) vinden. Bij bacteriën drijft de genetische informatie los in de cel in de vorm van een groot circulair molecuul. Daarnaast kunnen er nog relatief kleine circulaire DNA moleculen aanwezig zijn. Bacteriën reproduceren zichzelf door eerst hun DNA te kopiëren en vervolgens hun cel te splitsen. Bacteriën bezitten ook geen membraan gebondenorganellen, zoals mitochondriën, de celstructuren die betrokken zijn bij het energie productie. Bacteriële cellen zijn zo klein, dat wetenschappers ze meten in micrometers (µm). De grootte van een bacterie varieert van ongeveer 0,1 µm tot 40 µm. Een gemiddelde bacterie is ongeveer 1 µm lang [Wilkinson,1986]. Protisten zijn de eencelligen onder de eukaryote micro-organismen. Er is een grote verscheidenheid aan protisten en ze kunnen in verschillende milieus voorkomen, zoals zoet water, zeewater, de bodem, en de ingewanden van dieren, waar ze belangrijke verteringsprocessen ondersteunen. In protisten bevindt het DNA zich in de kern en bij aanwezigheid ook in mitochondriën en de chloroplasten. Mitochondria en chloroplasten delen zich onafhankelijk van de kern en volgen in principe een eigen tijdscyclus. Ze worden echter wel aan einde van een celdeling, als deel van het cytoplasma met de andere celorganellen over de nieuwe dochtercellen verdeeld. Protisten zijn veel groter dan bacteriën en worden gemeten in millimeters.

12

Hoofdstuk 4: Voortbeweging bij bacteriën 4.1 zwemmen met een zweepstaart 4.1.1 Introductie In deze paragraaf zal gekeken worden naar de voortbeweging bij bacteriën door middel van zweepstaarten. In de literatuur worden deze zweepstaarten doorgaans 'flagella' genoemd. Allereerst komt de manier waarop bacteriën de flagella gebruiken ter sprake. Ze blijken de flagella te gebruiken als een schroef waarmee ze zich door de hun omringende vloeistof bewegen. Hierna zullen de onderdelen van het flagellaire apparaat genoemd en toegelicht worden. Tot slot zullen de diverse manieren waarop flagella uitgevoerd worden aan bod komen. In deze paragraaf wordt uitsluitend het bewegingsapparaat van de bacteriën behandeld. Over het zintuiglijk apparaat kan meer gelezen worden in bijlage I van dit verslag: "informatieverwerking".

4.1.2. Toepassing van de schroef: bacteriën waren ons voor Het meest eenvoudige mechanisme voor beweging bij lage Reynolds-kengetallen wordt ook gebruikt om motorboten vooruit te stuwen: een propeller of schroef die continu in dezelfde richting ronddraait [Dusenbery, 1996]. Veel bacteriën maken ook gebruik van dit principe, ze gebruiken hiervoor hun flagella. Dit flagellum is schroefvormig. Het roterende schroefvormige element veroorzaakt een voortstuwende kracht doordat de remmende viskeuze kracht voor verplaatsing in lengte richting twee keer zo laag is als die voor de verplaatsing in zijwaartse richting [Dusenbery, 1996]. Hoe de bacterie dit principe gebruikt kan gezien worden in onderstaande figuur 4.1.

Figuur 4.1: Schematische voorstelling van een bacterie die met behulp van een spiraalvormig flagellum door een vloeistof zwemt. Het flagellum roteert en oefent aldus krachten uit op de omringende vloeistof. Er is een kracht ( aangeduid met L) in de lengterichting van het flagellum, en er is een kracht ( aangeduid met H) in de richting loodrecht op het flagellum. Kracht H is groter dan L en zorgt voor de voorwaartse stuwing, doordat de reactiekracht van uit de omringende vloeistof tegen het flagellum aanduwt [ vrij naar Dusenbery, 1996].

Omdat het verschil in weerstand slechts een factor 2 is, gaat de schroef slippen, en verplaatst het zich minder snel vooruit dan wanneer het tegen een vaste structuur zou duwen [Dusenbery, 1996]. Wat de efficiëntie nog eens beperkt is dit: de kracht waarmee het flagellum geroteerd wordt, zorgt er tevens voor dat de cel in tegenovergestelde richting gaat draaien. Voor iedere veertien omwentelingen van het flagellum, wentelt de cel één keer om in 13

tegenovergestelde richting. Als de cel recht van vorm is gaat er extra energie verloren bij de rotatie. Dit zou kunnen verklaren waarom sommige bacteriën spiraalvormig zijn [Dusenbery, 1996].

Figuur 4.2: De rotatie van flagella. Hierin is: CCW de draaiing van de bundel tegen de klok in, CL het cellichaam, HA de as van de helix, de naar boven wijzende pijl, naast het cellichaam, de zwemrichting van de cel, het oog onder de helix-as het gezichtspunt ten opzichte waarvan de draairichting beschreven wordt [Bray, 2001].

Flagella vormen samen een bundel, die de vorm heeft van een schroef. Dit is omdat een flagellum is gemaakt van een eiwitkristal in de vorm van een dun spiraalvormig filament. Deze spiraal is linkshandig. Deze geometrische eigenschappen kunnen gebruikt worden om te sturen. Want als de bacterie tegen de klok indraait ( gezien vanaf het uiteinde van het flagellum naar de cel toe) dan dwingt de viscositeit ze een bundel te vormen die net als de schroef van een schip fungeert om de cel vooruit te duwen. Dit ziet er uit als een mooie rechte beweging, in de literatuur aangeduid met de term run. Dit is weergegeven in figuur 4.2a Als ze in tegengestelde richting zouden roteren ( dus met de klok mee vanuit hetzelfde

14

gezichtspunt gezien) dan zou de bundel uit elkaar vallen en ieder zweephaartje zou de cel in een andere richting trekken, wat dan tot chaotische bewegingen leidt. Dit wordt tumble genoemd. Zie hiervoor figuur 4.2b. Draait het flagellum na zo'n tumble weer met de klok mee, dan ontstaat er een run in een willekeurige richting. De kans is altijd zeer groot dat de run na een tumble een andere richting opgaat dan de run voor de tumble. Dit gedrag speelt een belangrijke rol in een proef ondervindelijke zoekstrategie die de bacterie E.coli gebruikt om bijvoorbeeld plekken met de hoogste concentratie voedingstoffen te vinden. Hier wordt dieper op ingegaan in bijlage I: "Informatieverwerkende bacterie" 4.1.3 De onderdelen van het flagellaire apparaat Allereerst wordt hieronder een afbeelding van het flagellaire apparaat weergegeven, verder in de tekst zullen de onderdelen besproken worden.

Figuur 4.3: Schematische weergave van het flagellaire apparaat. Hierin is: BM het buitenste membraan, PM het binnenste membraan. R de structuren die fungeren als 'rotor' en tevens de draairichting reguleren, S de structuren die dienen als 'stator', P protonen, C het celplasma, H de haak en F het flagellum. De protonen diffunderen van de ruimte die begrensd wordt door BM en PM tussen de rotor en de stator door naar het celplasma. Zo zorgen ze voor een aandrijvende kracht [Bray, 2001].

De opbouw van het flagellum Het flagellum ( F in figuur 4.3)van bacteriën is een holle cilinder die van het eiwit flagelline is gemaakt. De flagellinemoleculen zijn aan elkaar gezet in rijen die protofilamenten worden genoemd. Het flagellum is een cilinder die uit 11 van die protofilamenten naast elkaar bestaat. 15

Het flagellum wordt niet omgeven door een celmembraan en is dus in direct contact met het omringende medium. De golfvorm van het flagellum is genetisch bepaald en drukt zich uit in de zelf-assembleer-eigenschappen van zijn flagelline. Om deze reden valt aan te nemen dat de flagelline in meer dan één vorm voorkomt. De aaneenzetting van identieke subeenheden, kan alleen een rechte cilinder vormen en geen holle spiraarvormige buis. Dat laatste is namelijk het geval bij het bacteriële flagellum. Een algemeen geaccepteerd model stelt dat elk protofilament in een flagellum, uniform over de gehele lengte één van de twee vormen van flagelline aanneemt. Een protofilament kan hierdoor naar verhouding langer of korter zijn. De kortere protofilamenten verdraaien het flagellum tot een spiraal. De eigenlijke golfvorm wordt bepaald door de verhouding tussen het aantal kortere en langere protofilamenten in een flagellum.

Figuur 4.4: De configuratie van flagelline moleculen. De patronen aan de linkerzijde vertonen de plaatsing van flagelline moleculen (FM) in cilindrische flagella, de cilinder is als het ware geopend en uitgerold om de 11 kolommen protofilamenten te tonen. Rechts van dit patroon is te zien zo'n flagellum (SF) recht is. In het onderste patroon zijn verkorte protofilamenten (SP) te zien. Deze protofilamenten zijn korter omdat ze zijn opgebouwd uit anders gevormde flagelline moleculen. Aldus ontstaat een helix-vormige flagellum (HF) [Bray 2001]

Bij de bouw van een flagellum worden de flagelline moleculen in de cel aangemaakt en vervolgens worden ze door de holle kern van het zich ontwikkelende flagellum naar het distale flagellaire uiteinde getransporteerd. Omdat het flagellum louter uit het eiwit flagelline bestaat, is het zeer onwaarschijnlijk dat er moleculaire motors werkzaam zijn die voor het transport door het flagellum zorgen. Eerder lijkt het erop dat flagelline moleculen simpelweg door diffusie getransporteerd worden. De eigenschappen van een eiwit wordt niet alleen door de volgorde van de aminozuren waar hij uit is opgebouwd bepaald, maar ook door zijn ruimtelijke structuur. Het eiwit moet op een bepaalde manier ‘gevouwen’zijn. Gezien de breedte van de holle kern van het flagellum (3 nm bij E.coli) lijkt het er niet op dat de flagelline moleculen in gevouwen toestand er doorheen kan. Dus waarschijnlijk gaat het hele transport als volgt: aan de basis van het

16

flagellum wordt de flagelline door speciale eiwiten ontvouwen, vervolgens reist de flagelline door de holle kern van het flagellum in aanbouw en aan het distale uiteinde wordt door een eiwit weer opnieuw gevouwen. De flagellaire haak Het flagellum is met de motor verbonden door een korte structuur de bekend staat als de flagellaire haak. Deze haak is zowel sterk als flexibel en stelt het flagellum in staat om zijn orientatie ten opzichte van het cel oppervlak te veranderen, terwijl het koppel van de motor wordt overgedragen op het flagellum. Hoe deze structuur om een gebogen lengte-as kan draaien is op basis van de literatuurstudie helaas niet duidelijk geworden. De flagellaire motor De flagellaire motor heeft net als een electromotor een rotor en een stator ( R en S in figuur 4.4). Het is eigenlijk zelfs zo dat de flagellaire motor een electromotor is. De motor heeft ook een aandrijfas, in de literatuur aangeduid met ‘rod’, wat als stang vertaalt kan worden. De stang gaat over in de flagellaire haak (H in figuur 4.4). De rod wordt omgeven door ringachtige structuren, welke vermoedelijk als een soort lager dienst doen. De flagellaire motor wordt aangedreven door een concentratieverschil van H+ ionen over het plasmamembraan. Deze ionen worden naar buiten gepompt door de oxidatie van voedingstoffen. Hierdoor is er buiten het celplasma een hoge concentratie van H+ ionen, en in het celplasma een lage concentratie van deze ionen. De naar buiten gepompte protonen willen door het concentratieverschil terug het celplasma in diffunderen. Dit kan door kanalen die naar alle waarschijnlijkheid gevormd worden door de structuren die de rotor vormen. De diffusiestroom van de protonen is derhalve de energiebron voor de flagellaire motor. Hoe de H+ ionen nu precies worden gebruikt als aandrijving is niet met zekerheid bekend. Twee soorten theoriën zijn hierover in omloop. De ene klasse wordt zogezegd aangeduid als ‘tightly coupled’ modellen, de andere klasse wordt ‘loosely coupled’ genoemd. Bij de tightlycoupled-modellen is er als het ware een 1 op 1 relatie tussen elk passerende proton en de rotatie van de motor. Wellicht is dit goed te vergelijken met een draaideur waar maar één persoon per keer doorheen kan. Die ene persoon zorgt tijdens zijn/haar passage voor het draaien van de deur. De loosely-coupled-modellen zijn qua mechanisme meer te vergelijken met een turbine. De draaing wordt door de algehele stroom van de ladingen veroorzaakt, niet door de bewegingen van individuele protonen. Dit kan bijvoorbeeld als volgt geschieden: De rotor heeft afwisselende lijnen van positive en negatieve ladingen op het oppervlak. Deze lijnen staan schuin ten opzichte van de richting van de rotor-as. Als de protonen naar binnen stromen door de kanalen die aan de rotor grenzen, dan zullen de ladings-interacties de rotor doen draaien. Dit gebeuren is weergegeven in figuur 4.5. Verandering van draairichting kan bewerkstelligd worden door de hoek van de ladingslijnen op het rotoroppervlak ten opzichte de rotor-as te veranderen. Dit omschakelen zou ook electrostatisch kunnen plaatsvinden: De draairichting hangt dan af van het aantal door de protonen bezette negatief geladen bindingsplaatsen in het protonenkanaal. Dit wordt dan geregeld door de pK waarde (de zuurgraad) van de bindingsplaatsen. Uit theoretische analyse is naar voren gekomen dat als er door een lage pK waarde weinig bindingsplaatsen bezet zijn, dat er dan netto een positieve ladingsverplaatsing de cel in plaats vindt, dit is te zien in figuur 4.6a. Als echter de pK waarde hoog is, dan zullen de protonen de bindingsplaatsen dicht bezetten. De protonen hoppen dan van plaats naar plaats de cel in, terwijl er een beweging in tegengestelde richting is van proton-gaten ( niet bezette plaatsen). Hierdoor zal de rotor van draairichting veranderen (figuur 4.6b).

17

Figuur 4.5: Het elektrostatisch model van de flagellaire motor. Hierin is: S de stang, CM het celmembraan, K het kanaal waardoorheen de H+ ionen gaan, R de rotor. De plussen en minnen op de rotor geven ladingslijnen aan.

Figuur 4.6: Het electrostatisch omschakel model. t staat voor de tijd. De zwarte rondjes stellen protonen voor, de grijze rondjes vertegenwoordigen de onbezette bindingsplaatsen [Bray 2001].

4.1.4 Het gebruik van flagella bij diverse soorten Bacteriën kunnen op verschillende manieren uitgerust zijn met flagella. Sommige hebben er slechts één flagellum. Vaak hebben bacteriën echter meerder flagella. Het kan zijn dat deze flagella zich aan de uiteinde van cel bevinden of zelfs aan beide uiteinden van de cel. Men noemt ze in dat geval polaire flagella. Het kan echter ook zijn dat de flagella op willekeurige

18

plaatsen op de cel geplaatst zijn. Al eerder in deze paragraaf was te lezen dat de flagella als één schroef fungeren bij een bepaalde draairichting. Het blijkt zo te zijn dat dergelijke cellen efficiënter zwemmen in visceuze oplossingen zoals in het darmkanaal van de mens, dan cellen met polaire flagella [Dusenbery, 1996]. Laatstgenoemden zwemmen echter weer beter in minder visceuze milieus zoals meren en oceanen. Dan zijn er ook nog bacteriën met lange dunne spiraalvormige cellichamen. Sommige daarvan zijn meer dan 100 keer langer dan breed. Een voorbeeld hiervan is de Spirillum volutans. Aan beide uiteinden van de spiraalvormige cel steken flagella. Door het draaien van deze flagella roteren de cellen in tegenovergestelde richting en schroeven ze zich door de omringende vloeistof. In figuur 4.7 is de Spirillum volutans weergegeven.

Figuur 4.7: Afbeelding van de Spirillum volutans. Deze bacterie 'schroeft' zich met zijn cellichaam door de vloeistof [Eisenbach, 1996].

Minder goed begrepen is de voortbeweging van spirocheten. In de soort Leptospira bevindt zich aan elk uiteinde van de cel een flagellum. Elk flagellum zit vast aan een motor en wijst in de richting van het midden van de cel, langs de spiraal-as van het cellichaam. De flagella zitten dus naar binnen gevouwen. Ze komen totaal niet in contact met het omringende medium, want ze bevinden zich binnen het buitenmembraan. Gedacht wordt dat beide motoren in een ten opzichte van elkaar tegenovergestelde richting draaien. Hierdoor zou de cel gaan wentelen en zich aldus een weg door het omringende medium schroeven, dit speculatieve idee is gevisualiseerd in figuur 4.8. Sommige soorten kunnen zich in zwermverband met soortgenoten voortbewegen. Daartoe maken ze extra flagella aan en die verbinden ze met die van hun buren. Dit gedrag wordt vertoond wanneer deze bacteriën met een toegenomen viscositeit van het omringende medium geconfronteerd worden [ di Primio, 2000].

Figuur 4.8:. De vermoedelijke manier waarop de spirocheet zich pleegt voort te bewegen. Hierin is: CL het cellichaam, R de rotatierichting van het cellichaam, M1 en M2 zijn motoren [Bray, 2001].

19

4.2 Zwemmen zonder zweepstaart De eencellige cyanobacterie heeft een belangrijke positie onderaan de voedselketen in zee. Cyanobacteriën zijn de meest voorkomende fotosynthetische organismen in de oceanen. De meeste cyanobacteriën bewegen door te glijden over oppervlakken, maar de Synechococcus heeft een unieke manier om door een vloeistof te bewegen. De Synechococcus bezit geen flagel of andere zichtbare organellen om zich voort te bewegen. Het zwempatroon lijkt desondanks toch op de manier zoals bacteriën met een flagel zich zouden voortbewegen. De cel draait om zijn lengte-as als hij zich verplaatst. Cellen die op een glasplaatje zijn vastgezet gaan roteren om het punt waaraan ze zijn vastgezet. De rotatie kan slechts in één richting plaatsvinden. Hieruit valt te concluderen dat de roterende motor slechts in één richting kan draaien en niet kan omschakelen.Wel kan de cel de andere kant op roteren als hij op een andere plek vast wordt gezet. Het zou kunnen zijn dat de bacterie een voor- en een achterkant heeft. De richting van voorbewegen hangt dan dus af van welke kant er in actie is. Verschillende experimenten wijzen er op dat het mechanisme in de celwand zelf moet zitten [Bray, 2001]. Hoe het mechanisme er precies uitziet is nog niet bekend. Een theorie is dat de Synechococcus wordt voortgestuwd door een stroom van ionen die vloeit van het hoofd tot aan de staart van de cel [Mitchell, 1956] (zie figuur 4.9). Als de celwand een vaste lading heeft zal deze afgeschermd zijn door ionen die de tegenovergestelde lading hebben. Als er ionen uit het hoofd van de cel worden gepompt en in de staart worden binnengehaald, dan zal er een elektrisch veld ontstaan in de vloeistof rondom de cel. Dit veld zal de laag vloeistof die de ionen bevat met de tegenovergestelde lading ten opzichte van de celwand, voortdrijven in achterwaartse richting langs de celwand. Hierdoor zal de cel vooruit bewegen, waarbij de laag vloeistof om de cel zich gedraagt als de rupsband van een tank. Deze theorie is echter verworpen doordat het zeewater waarin deze bacterie zich bevindt zeer goed in staat is om ladingsverschillen effectief te neutraliseren. Hierdoor zal er geen elektrisch veld rondom de cel kunnen ontstaan [Pitta, 1995]. Hoe de cel zich voort kan bewegen zonder flagella blijft een raadsel.

Figuur 4.9: Schematische weergave van Synechococcus die zich voort beweegt met behulp van een stroom van elektronen. Een vaste negatieve lading (-) van de celwand is afgeschermd door een laag positieve ionen (+) in de vloeistof rondom de cel. Andere ionen (met lading J) worden aan de voorkant uit de cel gepompt en vervolgens weer binnengehaald aan de achterzijde. Hierdoor ontstaat er een elektrisch veld in de vloeistof rondom de cel (E) die de protonen in de vloeistof van rechts naar links stuwt waardoor de cel van links naar rechts door de vloeistof beweegt. Deze theorie blijkt echter niet op te gaan doordat zeewater het elektrisch veld neutraliseert [Pitta, 1995].

20

4.3 Voortbewegen door te glijden 4.3.1 Introductie Een manier van voortbewegen die voorkomt bij bacteriën die geen flagel hebben is glijden. Soorten die zo voortbewegen zijn: Myxobacterien, Cytofagen, Cyanobacterien en een grote groep van fotosynthetische bacteriën die in zoet- en zoutwateromgevingen voorkomen. Doordat de snelheid van voortbewegen nogal verschilt tussen de soorten is het waarschijnlijk dat er ook meerdere mechanismen worden gebruikt [Bray, 2001]. Het glijden kan onderverdeeld worden in twee verschillende manieren van bewegen. Bij de ene manier gaat het om een groepsgewijze vorm van glijden en bij de tweede om een individuele manier om te glijden. Myxobacteriën kunnen op beide manieren glijden: als individu of als hele zwerm cellen [Wolgemuth et.al., 2002]. De manier van voortbewegen, individueel of groepsgewijs is afhankelijk van externe condities. Als de cellen een zwerm vormen kunnen de individuele cellen hun verterings-enzymen gezamenlijk opslaan. Hierdoor kunnen ze efficiënter hun voedsel verteren. Als er geen voedsel meer is plaatsen de cellen zich dicht tegen elkaar aan en vormen zo een “vruchtlichaam”. Binnen in dit vruchtlichaam veranderen de bacteriën in sporen die zware omstandigheden kunnen doorstaan. Als de condities weer beter worden ontkiemen de sporen zich zodat er weer nieuwe zwermen bacteriën gevormd kunnen worden. 4.3.2 Groepsgewijze vorm van glijden De groepsgewijze vorm van glijden houdt in dat er uitsteeksels (pili) uitgeschoven worden, die na het vasthechten aan een oppervlak weer worden teruggetrokken (zie figuur 4.10). Bacterien, zoals de myxobacterie, die zo bewegen gooien lange uitsteeksels uit die blijven plakken aan een bacterie in de buurt. Zodra de pili in aanraking komen met de naburige cel worden ze ingetrokken waardoor de bacterie al trekkend naar de buurman toe glijdt. Op deze manier kunnen kolonies van bacteriën zich groeperen in een multicellulaire structuur(zie figuur 4.11).

Figuur 4.10: Groepsgewijze vorm van glijden. 1: Pili worden uitgeschoven totdat deze in aanraking komen met een oppervlak. 2: De pili hechten zich aan het oppervlak. Dit is gelijk het signaal waardoor de pili weer worden ingetrokken. 3: de cel wordt vooruit getrokken [McBride, 2001].

Figuur 4.11: Beeldopnamen van een bacterie, aangegeven tussen pijlen, die zich naar de kolonie toe trekt [Alexey, 2000].

21

Figuur 4.12 laat een model zien dat toont hoe een pilus zich uitschuift en terugtrekt. Het uitschuiven van de pilus vindt plaats als pilin subunits, de bouwstenen van de pilus welke zich in de binnenmembraan bevinden, een spiraal vormige vezel vormen aan de binnenmembraan van de bacterie. De vezel wordt via een doorgang, gemaakt van PilQ subunits, door de buiten membraan geleid. Het terugtrekken van de pilus gebeurt als de vezel wordt afgebroken waarbij de pilin subunits weer terug in de binnenmembraan gaan. Eiwitten die PilF en PilT genoemd worden zorgen waarschijnlijk voor de energie die nodig is voor respectievelijk de opbouw (uitschuiven) en afbraak (terugtrekken) van de pilus.

Figuur 4.12: De aanmaak een pilus. Pilin subunits die aanwezig zijn in de binnenmembraan van de celwand vormen een spiraalvormige vezel binnen in de celwand van de bacterie. Onder invloed van het PilF eiwit wordt deze vezel door een opening in de celwand (PilQ) door de buitenmembraan gestoken en ontstaat er een pilus. Onder invloed van het PilT eiwit wordt de vezel weer afgebroken wat leidt tot het terugtrekken van de pilus [Wolfgang, 2000].

4.3.3 Individuele vorm van glijden Bij zowel myxobacterien als cyanobacteriën glijden de cellen in een langzame eenparige beweging parallel aan de lengteas van de cel over een ondergrond. De cellen bewegen vooruit zonder dat er ogenschijnlijk een verandering van hun buitenkant optreedt. Wel wordt er slijm geproduceerd dat als een spoor wordt achtergelaten. De cel beweegt zich voort door het uitscheiden van slijm met een snelheid die gelijk is aan het voorbewegen van de cel [Wolgemuth et.al., 2002].

Figuur 4.13: Voortstuwing van een myxobacterie door middel van slijm wat aan de rechterzijde uit poriën uitgescheiden wordt. De dichtheid van de poriën in de celwand is bij de polen veel sterker [Wolgemuth et.al., 2002].

22

Doordat het slijm zich bindt aan de ondergrond wordt de cel vooruit gestuwd. Door poriën in de celwand van de cel wordt het slijm uitgescheiden. De poriën zijn 14-16nm in doorsnede en maken een bepaalde hoek ten opzichte van de ondergrond. Zoals te zien is in figuur 4.13 bevinden de poriën zich vooral aan de beide polen van de cel. In het middenstuk van de cel bevinden zich slechts enkele poriën. De poriën zijn organellen in de celwand waarin het slijm wordt geproduceerd. Uit experimenten waarbij het slijm dat geproduceerd wordt werd gemerkt, is gebleken dat de poriën precies op de juiste plek slijm uitscheiden om de geobserveerde voortstuwing te krijgen. Niet alle poriën worden dus gebruikt; alleen de poriën aan de kant van het slijmspoor zijn actief. De poriën aan de andere kant van de cel zijn inactief. Figuur 4.14 geeft een weergave van de positionering van de poriën in het celmembraan. Bij een actieve porie komt er slijm in de porie vanuit het binnenmembraan van de cel. Vervolgens wordt dit slijm vermengt met water dat van buiten de cel in de porie komt. Hierdoor neemt het volume van het slijm toe, waardoor het de porie wordt uitgeperst. Dit resulteert vervolgens in de voortstuwing van de cel.

Figuur 4.14: Celwand van een Myxobacterie. Te zien is hoe de organellen die het slijm uitscheiden in de celwand liggen. Ook zijn PilQ poriën te zien waardoor de cel een pilus kan uitschuiven (wordt gebruikt bij de groepsgewijze vorm van glijden) [Wolgemuth et.al., 2002].

4.3.4 Glijden door eiwit verplaatsing in de celwand Cytofagen kunnen over een glazen oppervlak glijden en af en toe van richting veranderen. De manier van glijden bij cytofagen is nog niet helemaal opgehelderd. Wel kan gezegd worden dat het een ander mechanisme moet zijn dan bij de myxo– en cyanobacteriën, zoals in de vorige twee paragrafen behandeld is. Om te kunnen glijden moeten de cellen in contact zijn met de ondergrond. Maar er is ook beweging te detecteren als de cellen zich in een vloeibaar medium bevinden. Door latex deeltjes aan de vloeistof toe te voegen. De latex deeltjes hechten zich dan aan de celwand van de cel. De latex deeltjes die aan de cel hechten worden dan over de celwand getransporteerd. Dit transport zou wel eens hetzelfde mechanisme kunnen gebruiken als het mechanisme dat gebruikt wordt als de cel over een ondergrond glijdt. Ten eerste omdat de deeltjes met ongeveer dezelfde snelheid over de celwand worden

23

getransporteerd als dat de cel over de ondergrond glijdt. Ten tweede omdat mutanten van cytofagen die niet kunnen glijden ook geen latex deeltjes over hun celwand transporteren. Latex deeltjes kunnen over de gehele omtrek van de cel worden getransporteerd. Ook kunnen twee latex deeltjes in tegengestelde richting over de celwand getransporteerd worden. Dit fenomeen kan niet verklaard worden met de groepsgewijze en individuele vorm van glijden zoals die in de vorige twee paragrafen behandeld zijn. Het kan dus niet verkaard worden door het uit -en intrekken van pili, tenzij de pili helemaal om de celwand heen gewikkeld zouden zijn. En het fenomeen kan niet verklaard worden door het uitscheiden van slijm, omdat deeltjes die de celwand naderen niet lijken te bewegen totdat ze in aanraking komen met de celwand. In de literatuur is een model gevonden dat het glijden van deze cytofagen zou kunnen verklaren (zie figuur 4.15) [Mcbride, 2001]. Hierbij zitten er eiwitten in de buitenmembraan van de celwand die kunnen hechten aan de ondergrond. Door de verplaatsing van H+ ionen, die zich tussen de buiten- en binnenmembraan van de celwand bevinden, kunnen andere eiwitten in de binnenmembraan als drijvende kracht achter de beweging fungeren. Deze laatst genoemde eiwitten hechten zich aan de eiwitten in de buitenmembraan en duwen deze vooruit. Doordat de eiwitten in de buitenmembraan vastgehecht zitten aan de ondergrond zal de cel in tegengestelde richting over de ondergrond glijden. De eiwitten in de binnenmembraan moeten op de één of andere manier in staat zijn om gecoördineerd eiwitten in de buitenmembraan te verplaatsen. Het mechanisme hierachter wordt met dit model niet opgehelderd.

Figuur 4.15: Modelmatige weergave van het voortbewegingsmechanisme van een cytofaag. Het linkerplaatje toont de glij-richting van de cel over een ondergrond. Het rechterplaatje is een vergroting van de eiwitten in het buiten (BuM)- en binnenmembraan (BiM) van de cel. De eiwitten in de binnenmembraan duwen de eiwitten in de buitenmembraan naar rechts. Hierdoor glijdt de cel naar rechts. De eiwitten in de binnenmembraan worden gedreven door een verplaatsing van H+ ionen door de membraan [Mcbride, 2001].

24

Hoofdstuk 5: Voortbeweging bij protisten 5.1 Zwemmen met trilhaartjes of zweepstaart 5.1.1 Introductie Net als bacteriën zwemmen veel eukaryote cellen door middel van een zweepstaart. Dit is zowel bij de protisten als bij de spermacellen van veel zoogdiersoorten [Bray, 2001]. Net als de zweepstaarten van prokaryoten, worden de eukaryote zweepstaarten aangeduid met de term "flagella" (het verschil tussen prokaryoten en eukaryoten is uitgelegd in hoofdstuk 3: "Onderverdeling van eencelligen"). Sommige protisten bewegen zich voort met trilhaartjes. Een ander woord voor trilhaartjes is "cilia". Om een idee te geven van het verschil in grootte tussen flagella en cilia: het flagellum van de spermacel van een zoogdier is zo rond de 70 µm lang, de cilia van de protist Paramecium zijn elk 10 µm lang [Bray 2001]. Hoewel cilia een stuk kleiner zijn dan flagella verschillen ze er niet structureel van. Het mechanisme van het eukaryote flagellum is echter wel fundamenteel anders dan het prokaryote flagellum. Prokaryote flagella zijn namelijk uit één enkel soort eiwit opgebouwd, terwijl eukaryote flagella in hun opbouw veel complexer (en groter) zijn. Terwijl prokaryote flagella worden aangedreven met een soort elektromotor aan de basis van het flagellum, lijken de eukaryote flagella in hun werkingsmechanisme veel meer op bijvoorbeeld skeletspiercellen en bevindt de bewegingsmachinerie zich in het flagellum. Ofschoon veel mysteriën omtrent dit mechanisme nog ontsluierd moeten worden, kan men zich gelukkig toch een beeld vormen van enkele aspecten van dit interessante mechanisme. In dit hoofdstuk zal getracht worden datgene wat over flagella / cilia bekend is in kaart te brengen. Daarbij zal gekeken worden naar de opbouw van flagella / cilia. Hierop aansluitend worden enkele bewegingspatronen behandeld, waarna wordt ingegaan op wat er bekend is over het hieraan ten grondslag liggende mechanisme. Tevens wordt aandacht geschonken aan een interessante structuur die werkt volgens dezelfde principes als het flagellum of het cilium, namelijk de axostyle. De wijze van voortbewegen waar deze structuur voor zorgt ziet er echter heel anders uit dan die van de flagella. Tot slot wordt er in grote lijnen een bij mensen voorkomende genetische afwijking behandeld die mogelijk verband houdt met het falen van cilia in de vroegste embryonale ontwikkelingen. Hoewel dit onderwerp enigszins buiten het bestek van dit verslag lijkt te vallen, is deze aan cilia gerelateerde afwijking zo bizar, dat het beslist vermeldenswaardig is. 5.1.2 Opbouw flagellum / cilium De opbouw van het flagellum / cilium wordt besproken aan de hand van de in figuur 5.1 staande dwarsdoorsnede. In flagella / cilia treft men een stelsel van eiwitten aan, die men aanduidt met de term "axoneem". De axoneem (Eng: axoneme) vormt in feite het apparaat die voor de beweging van flagella / cilia zorgt. Om te beginnen zijn er de structuren die microtubulen genoemd worden. Deze structuren zijn opgebouwd uit tubuline. In het midden bevinden er zich twee stuks, de twee singlet microtubules (SM), met daaraan de centrale projecties (CP). Om deze twee microtubulen zijn er 9 doubletten microtubulen (DM). Elk doublet bestaat uit een A- en B-tubule. In het axoneem bevinden zich ook andere eiwitten. Ten eerste zijn er de dyneine armen, die de kracht genereren om de cilium te laten buigen. er wordt een buitenste dyneine arm (OD) en een binnenste dyneïne arm (ID) onderscheiden. Ten tweede zijn er de nexinelinks (NL), die als een elastische band de microtubuli bijeenhouden. Ten derde zijn er de radiale spaken (RS) (Eng: radial spoke), die van de buitenste doubletten in de richting van het 25

centrum lopen. Interessant is dat als men de axoneem van het cellichaam afsnijdt en in een speciale oplossing plaatst, het dan nog steeds in staat is om zich op normale wijze te bewegen. Dit toont aan dat de bewegingsmachinerie zich geheel en al in het flagellum / cilium moet bevinden [Bray, 2001; Dusenbery, 1996].

Figuur. 5.1: Dwarsdoorsnede van het flagellum/cilium. Hierin is: SM de singlet microtubule; CP de projectie vanuit het centrale singlet microtubule-paar; NL is de nexine-link; RS is de radiale spaak; DM is de doublet microtubule, bestaande uit een volledige A- en onvolledige B microtubule; OD de buitenste "outer" dyneïne arm en ID de binnenste "inner" dyneïne arm.

5.1.3 Bewegingen van flagella

figuur 5.2: Drie typen beweging naast elkaar. In de tekening stellen de ovalen de cellichamen voor. Aan de cellichamen zit een flagellum bevestigd. De zwarte pijlen geven aan hoe de flagella bewegen. De grijze pijlen geven de verplaatsingsrichting van de cellen aan. Verdere verklaring in de tekst (nagetekend uit [Dusenbery, 1996])

Er zijn een aantal manieren waarop flagella gebruikt kunnen worden. De (relatief) eenvoudigste manier is dat de sinusgolven zich in één vlak langs de lengte van het flagellum bewegen. Op deze wijze wordt het omringende water meegenomen, wat een stuwing veroorzaakt [Dusenbery, 1996]. De golven kunnen zich van de cel af bewegen, zodat de cel dan vooruit geduwd wordt. Dit is bijvoorbeeld bij menselijke zaadcellen te zien. De golven kunnen zich echter ook over het flagellum naar de cel toe bewegen, zodat de cel vooruit wordt 26

getrokken. De twee vormen van sinusgolf-bewegingen zijn te zien in figuur 5.2a. Vermeld moet worden dat de aanduiding "sinusgolven" met een korreltje zout genomen moet worden. Nadere analyse door Charles Brokaw heeft namelijk aangetoond dat de golven feitelijk niet regelmatig zijn [Dusenbery, 1996]. In figuur 5.3 is een aantal momentopnamen van de golfbeweging van een spermacel in beeld gebracht. Dit kan als hulpmiddel dienen om voor te stellen hoe zo'n golfbeweging eruit ziet. Spermacellen bewegen zich voort met golven die zich over het flagellum van de cel af verplaatsen. Een andere manier waarop flagella gebruikt kunnen worden is een driedimensionaal buigingspatroon, wat een spiraalvorm teweegbrengt. Deze beweging is afgebeeld in figuur 5.2b. Zo op het eerste gezicht lijkt deze beweging veel op de wijze waarop de bacteriële flagella zich door vloeistoffen schroeft, maar de beweging komt echter op een totaal andere wijze tot stand. Bij het bacteriële flagellum wordt de beweging veroorzaakt door een soort ronddraaiend motortje aan de basis van het flagellum. Het bacteriële flagellum beweegt passief mee met de door het motortje veroorzaakte beweging. Bij het flagellum van de protist wordt daarentegen de beweging gegenereerd in het flagellum zelf, blijkens het feit dat een van de cel afgesneden flagellum nog steeds in beweging te krijgen is. Hieruit kan geconcludeerd worden dat het wel twee fundamenteel van elkaar verschillende bewegingsmechanismen moet betreffen. Een derde manier waarop flagella gebruikt kunnen worden is de volgende: het flagellum beweegt met sinusgolven in één vlak, waarbij het flagellum ook nog eens bedekt is met korte haren, zogenaamde "mastigonemata", die in het zelfde vlak als het flagellum bewegen. Zodoende werken ze als kleine roeispanen. De cel met flagella voorzien van mastigonemata is in schematisch in beeld gebracht in figuur 5.2c. De met mastigonemata uitgeruste flagella hebben een veel betere grip op het omringende water dan eenvoudige flagella. Bij het buigen van het flagellum moeten de mastigonemata die naar de buitenkant steken (grote gebogen pijlen in figuur 5.2c), een grotere afstand afleggen dan de mastigonemata aan de binnenkant ( kleine gebogen pijlen in figuur 5.2c) Het netto-resultaat is dat de mastigonemata aan de buitenkant meer invloed hebben, en dat de netto-stuwing dezelfde richting heeft als de richting van de voortplanting van de golf langs het flagellum. Dit is precies de andere kant op dan wanneer er geen mastigonemata aanwezig zouden zijn [Dusenbery, 1996].

Figuur 5.3: Een aantal opeenvolgende momentopnamen van een zwemmende spermacel zijn van links naar rechts weergegeven (overgetrokken uit [Bray, 2001]).

Een heel andere manier om flagella te bewegen laat de eencellige groene alg Chlamydomonas zien. In figuur 5.4 is deze eencellige weergegeven. Deze cel bezit twee flagella die naast elkaar geplaatst zijn. Tijdens het voortbewegen slaan de flagella synchroon naar de zijkant, zoals bij het schoolslagzwemmen. Tijdens de krachtleverende slag, de "powerstroke" (figuur 5.4a-c), verplaatst de cel zich 5 µm vooruit, Tijdens de contraslag, de 27

"recoverystroke" (figuur 5.4 d-f) verplaatst de cel zich 2 µm achteruit. Netto gaat het organisme dus vooruit. Dit is te danken aan de asymmetrie van de bewegingscyclus (de contraslag is immers niet het spiegelbeeld van de krachtleverende slag). Aldus biedt deze "schoolslag" beweging voor de chlamydomonas een uitweg uit het "kammossel-probleem" (zie hoofdstuk 2 paragraaf 2.2 van dit verslag: zwemmen als je klein bent). Er moet verder worden opgemerkt dat gedurende de bewegingscyclus, bestaande uit powerstroke en contraslag, het organisme 15° draait. Of deze draaiing een bij-verschijnsel is, of dat het een zeker doel dient, werd in de gelezen literatuur niet duidelijk. Wat wel duidelijk is dat de cel kan sturen door met het ene flagellum harder te slaan dan met de andere en dat het achterwaarts zwemt door met beide flagella zich van de cel af bewegende sinusgolven te produceren [Dusenbery, 1996]. De chlamydomonas bedient zich dus van zowel een "schoolslag" beweging als van sinusgolven, al moet dat laatste vooral gezien worden als een ontsnappings-methode [Bray 2001].

Figuur 5.4: De Chlamydomonas, van bovenaf gezien, in opeenvolgende fasen van de bewegingscyclus. Tijdens de krachtleverende slag (a-c) beweegt de cel voorwaarts. Dit wordt verduidelijkt met de grotere naar boven gerichte pijlen. Gedurende de contraslag (d-f) beweegt de cel zich in mindere mate achterwaarts, wat met de kleinere omlaag gerichte pijlen wordt aangegeven (gebaseerd op [Bray, 2001; Dusenbery, 1996]).

5.1.4 Bewegingen van cilia Het bewegingspatroon van cilia is vergelijkbaar met de wijze waarop chlamydomonas zijn flagella beweegt. Ook bij de cilia zijn een krachtleverende slag en een contraslag te onderscheiden. Om de door de contraslag veroorzaakte achterwaartse stuwkracht nog meer te verminderen, vindt bij sommige cellen deze fase van de bewegingscyclus niet loodrecht op de lengteas van het cilium plaats, maar is de beweging scheef. Hierdoor beweegt het cilium tijdens de contraslag zich nog dichter bij het celoppervlak en wordt de kracht die de cel achteruit duwt verkleind. Bij de meeste ciliaten zijn de cilia dicht bijeen geplaatst. Hierdoor bewegen naburige cilia met elkaar mee, met als resultaat een vrijwel synchrone beweging. De zinsnede "vrijwel synchrone beweging" houdt in dat de beweging dus niet volledig synchroon is als men naar de beweging van alle cilia tezamen op het celoppervlak kijkt. Men ziet dan ook een golvende beweging over het celoppervlak gaan, wanneer de cilia in actie zijn. Dit verschijnsel wordt met de term "metachronale golven" aangeduid. Verder kan opgemerkt worden dat cellen met cilia (de ciliaten) veel sneller kunnen zwemmen dan hun met flagella uitgeruste verwanten (de flagellaten) [Dusenbery, 1996]. Van de reden hiervoor is helaas geen uitleg gevonden in de literatuur. De reden zou kunnen zijn dat de grote hoeveelheid cilia bij elkaar misschien een veel groter oppervlak hebben, dan één of twee flagella. Als dat zo zou zijn, dan kunnen de ciliaten veel meer kracht kunnen uitoefenen op de omringende vloeistof dan de flagellaten. 28

5.1.5 Machinerie van de flagella en cilia De ten opzichte van elkaar verschuivende microtubuli liggen ten grondslag aan de beweging van de flagella en cilia. Dit mechanisme doet zeer sterk denken aan de 'sliding filaments' in de spieren van dieren. In paragraaf 5.1.2 is naar voren gekomen dat aan ieder paar microtubuli dyneïne eiwitten vast zitten. Dyneïne kan gezien worden als het 'motormolecuul' in de flagella en cilia. De werking van dit motormolecuul laat zich als volgt omschrijven: na blootstelling aan ATP bewegen de dyneïne eiwitten die aan een paar microtubuli vast zitten, langs een naburig paar microtubuli. Hierdoor gaat het ene paar schuiven ten opzichte van het andere paar. In figuur 5.5 is dit in beeld gebracht. In dit figuur zijn de microtubuli niet als paar weergegeven, maar als enkelvoudige buizen.

Figuur 5.5: De microtubuli, voorgesteld als grijze buizen, kunnen langs elkaar bewegen dankzij de dyneïne armen, de haakvormige structuren in de tekening. De dyneïne armen zitten stevig aan de bovenste buis vast en ze kruipen langs de onderste buis na blootstelling van het energieleverende molecuul ATP. Het gevolg hiervan is dat de buizen ten opzichte van elkaar gaan schuiven.

Figuur 5.6: Buigen of telescopisch verlengen. (a) De axoneem buigt doordat de microtubuli aan elkaar vast zitten door verbindingseiwitten (VP). (b) Wanneer deze verwijderd worden dan schuiven de microtubuli over de lengterichting langs elkaar heen [Bray, 2001].

Dat het axoneem buigt, is te danken aan eiwitten die de microtubuli met elkaar verbinden. Worden deze verbindingseiwitten verwijderd, dan zal het axoneem verlengen als een telescoop die wordt uitgeschoven. Dit wordt in beeld gebracht in figuur 5.6. In figuur 5.6a worden twee buigende microtubule doubletten in een axoneem weergegeven, in figuur 5.6b 29

worden twee telescopische doubletten in een axoneem weergeven die ongehinderd door verbindingseiwitten langs elkaar heen kunnen schuiven [Bray, 2001]. Hoe het komt dat axonemen in staat zijn om te buigen kan door het in figuur 5.6 getoonde model wat aanschouwelijker worden gemaakt. Daarmee is echter nog niet begrepen hoe de flagella / cilia tot zulke complexe bewegingen komen. Een beperking in het getoonde model is dat er uitgegaan wordt van een axoneem bestaande uit slechts twee microtubuli terwijl er in werkelijkheid sprake is van een axoneem bestaande uit een ring van 9 doubletten microtubuli met een tweetal microtubulisingletten in het midden. Dat is al aanzienlijk ingewikkelder. Als alle dyneïne armen in een cilium tegelijkertijd actief worden, dan zou het flagellum / cilium tot een spoel ineendraaien. Er moet dus wel een regelmechanisme aanwezig zijn om de complexe bewegingspatronen van flagella / cilia te coördineren. Ook in het eenvoudigste geval, namelijk het buigen in één vlak, is de aanwezigheid van een regelmechanisme dat de dyneïne armen selectief aanstuurt al vereist. Het blijkt namelijk dat in dat geval de dyneïne armen aan de ene zijde van het axoneem actief zijn, terwijl de tegenover liggende dyneïne armen inactief zijn [Bray, 2001]. Waarom de tegenoverliggende dyneïne armen inactief zijn in dit geval, werd helaas niet nader toegelicht in de literatuur. Misschien is het overbodig om aan beide zijden van het axoneem de dyneïne armen te activeren. De reden zou in dat geval energiebesparing kunnen zijn. Hoe dan ook, er zijn sterke vermoedens dat het centrale microtubulepaar een rol speelt in het selectief aansturen van dyneïne armen. Het centrale paar zou via de radiale spaken de dyneïne armen van de omringende 9 doubletten aansturen. In figuur 5.7 is een schematische voorstelling weergegeven van de activiteit van de dyneïne-armen in een axoneem die een sinusoïdale beweging maakt in één vlak. Het is nog niet bekend hoe het selectief activeren van dyneïne geschied.

Figuur 5.7: Alleen dyneïne armen in de gebieden aangegeven met pijlen zijn actief. De andere dyneïne armen zijn inactief. Deze inactieve dyneïne armen worden passief bewogen door de beweging van het structuur [Bray, 2001].

30

5.1.6 Voortbewegen met axostyle Een interessante en vermeldenswaardige structuur die net als de flagella / cilia ook gebaseerd is op langs elkaar schuivende microtubuli is de axostyle. Een organisme waarin de axostyle wordt aangetroffen is de saccinobacculus, die leeft in de darmen van termieten en houtetende kakkerlakken. De saccinobacculus staat schematisch afgebeeld in figuur 5.8. De axostyle is een lintvormige structuur bestaande uit duizenden parallel gerangschikte microtubules. Deze structuur loopt dwars door het inwendige van de cel heen. Door het in elkaar draaien en golven van de axostyle wordt de Saccinobacculus in staat gesteld om over oppervlakken te kruipen. Een mechanisme dat de in elkaar draaiende beweging kan verklaren wordt in figuur 5.9 weergegeven.

Figuur 5.8: Schemaitische weergave van het organisme Saccinobacculus. Hierin is: CK de celkern, UF de uitwendige flagella en IA de inwendige axostyle [Bray, 2001].

Figuur 5.8: Schematische weergave van het organisme saccinobacculus. Hierin

is: CK de celkern; UF de uitwendige flagella; IA de inwendige axostyle.

Figuur 5.9: Model dat kan verklaren hoe de draaiing van de axostyle bij de saccinobacculus tot stand kan komen. Hierin zijn: MT de microtubules; DA de dyneïne armen; BV de beperkende verbinding. Zonder de beperkende verbinding zullen de microtubules gewoon telescopisch langs elkaar heen schuiven (a). Indien de beperkende verbinding echter aanwezig is, kan er niet geschoven worden. De beperkende verbinding zet het schuiven daarom in een ineen draaiende beweging [Bray, 2001].

31

5.1.7 Lopen met flagella en cilia Hoewel de meeste flagellaten en protisten zwemmen, zijn er uitzonderingen die flagellaachtige of cilia-achtige structuren gebruiken om over een vaste ondergrond te "lopen". Er zullen hier twee van genoemd worden: de Stylonychia en de Heliozoa. De Stylonychia gebruikt cilia-achtige structuren als "benen" om te lopen over oppervlakken. Deze cilia-achtige structuren worden cirri genoemd. De cirri bevinden zich bijna allemaal aan de onderzijde van de cel [Bray, 2001]. De Stylonychia met cirri is te zien in figuur 5.10a. Een ander organisme dat flagella / cilia -achtige structuren gebruikt om zich over oppervlakken te verplaatsen, zijn de Heliozoa. De structuren die de Heliozoa daarvoor gebruiken heten axopodia. Door een gecoördineerde verlenging en verkorting van de axopodia rolt dit organisme als een bal over de ondergrond [Bray, 2001]. De Heliozoa is te zien in figuur 5.10b.

Figuur 5.10: De Stylonychia (a) en de Heliozoa (b). De Stylonychia gebruiken hun cirri als een soort benen om er mee over een oppervlak te lopen. De Heliozoa gebruiken rollen als een bal over een ondergrond door hun axopodia op een gecoördineerde wijze te verlengen en te verkorten [Bray, 2001].

5.1.8 Kartagener syndroom Het in deze subparagraaf volgende verhaal is enigszins een zijsprong, omdat het niet direct te maken met de voortbeweging van eencelligen. Het is echter beslist interessant omdat het de rol van cilia en flagella illustreert in het menselijk lichaam. In het menselijk lichaam spelen cilia en flagella namelijk een rol. In de luchtwegen zorgen cilia ervoor dat stofdeeltjes die niet in de luchtwegen thuishoren naar buiten gewerkt worden. Zaadcellen danken hun vermogen tot voortbewegen aan flagella. Er kunnen genetische defecten optreden die er voor zorgen dat het organisme niet in staat is om bewegende flagella of cilia te produceren. Deze defecten kunnen zowel bij eencellige als bij meercellige organismen optreden. Wanneer een mens behept is met een dergelijke afwijking, dan uit zich dat in onvruchtbaarheid (in het geval van een man) en in bronchitis, want de cilia die de luchtwegen bekleden zijn niet in staat vuil te verwijderen. Tevens wordt bij deze mensen dikwijls het merkwaardige verschijnsel waargenomen dat de organen zitten aan de verkeerde kant van het lichaam zitten. Dit verschijnsel wordt situs inversus (= omgekeerde plaats) genoemd. Het feit dat erfelijke flagella/cilia defecten zo vaak gepaard gaan met situs inversus, heeft onderzoekers doen opperen dat bewegende cilia mogelijk een rol spelen in de vroege ontwikkeling van het embryo [Bray 2001]. Er wordt vermoed dat een specifiek bewegingspatroon van de cilia ervoor zorgt dat bepaald chemische stoffen vooral naar de linkerzijde van de vrucht verplaatst worden waar ze allerlei reacties ontketenen. Die reacties leiden uiteindelijk tot de links-rechts-asymmetrie van het lichaam.

32

5.3 Voortbewegen door uitstulpingen 5.3.1 Introductie Er zijn cellen die geen flagel of cilia bezit kan zich toch kunnen voortbewegen door uitstulpingen te maken. De cellen zwemmen niet door de vloeistof maar kunnen zich verplaatsen door over de bodem of wand te kruipen. Hiervoor maken de cellen uitstulpingen die pseudopodia genoemd worden, wat schijnvoeten betekend omdat de cel hiermee lijkt te lopen. De pseudopodia hebben aan de hand van hun vorm verschillende namen gekregen. Zo heet het pseudopodium van een fibroblast lamellipodium omdat deze breed en platgevormd is. Een fibroblast, besproken in paragraag 5.3.3 bezit daarnaast hele dunne pseudopodia die filopodia genoemd worden. Het voorbewegen van een cel die gebruik maakt van uitstulpingen is onder te verdelen in een aantal stappen, zoals te zien zijn in figuur 5.11. Allereerst moet de cel zich kunnen verlengen, hiervoor wordt er een uitstulping gemaakt. Daarna moet de uitstulping zich vast kunnen hechten aan de ondergrond. Hierna kan het uiteinde van de cel ingetrokken worden en zullen de aanhechtingsplaatsen aan de andere kant van de cel ook los moeten kunnen komen.

Figuur 5.11: Stappen die de cel moet kunnen doorlopen bij de voortbeweging met uitstulpingen [Bray, 2001].

5.3.2 Voortbeweging bij Amoebes De amoebe (spreek uit: ameube) is een eencellig diertje dat een protozoön (oerdiertje) wordt genoemd. We moeten een amoebe minstens duizend keer vergroten voor we hem kunnen zien. De amoebe beweegt zich voort door een deel van zijn lichaam uit te stulpen als een schijnvoetje. De rest van zijn lichaam vloeit in deze voet. Ze 'vloeien' als het ware over de bodem van de sloot. Amoebes voeden zich door voedsel, zoals bacteriën, te omsluiten met hun schijnvoetje (zie figuur 5.12). Hierna kronkelt zijn het Figuur 5.12: Amoebe die pseudopodiën hele cellichaam om de prooi heen [Van Egmond, gebruikt om zijn prooi te omsluiten [Van Egmond, 2001]. 2001]. 33

Een amoebe is van binnen opgevuld met een vloeistof die cytoplasma wordt genoemd. In het cytoplasma bevinden zich mitochondriën en andere organellen. Het cytoplasma van een amoebe is binnen de cel eigenlijk uit twee delen op gebouwd. Binnenin de cel bevindt zich het plasmasol wat erg vloeibaar is. Aan de randen van de cel tegen de celwand is het cytoplasma steviger van structuur en wordt hier plasmagel genoemd (zie figuur 5.13). Deze twee verschillende stadia van het cytoplasma gaan tijdens het voorbewegen van een Amoebe voortdurend in elkaar over. Bij het uitsteken van een pseudopodium stroomt de plasmasol in het pseudopodium en wordt hier omgevormd tot plasmagel. Bij het intrekken van een pseudopodium lost de plasmagel weer op tot plasmasol, wat vervolgens weer in een vormend pseudopodium wordt gestuwd en wordt omgevormd tot plasmagel [Bray,2001].

Figuur 5.13: De stroming van het cytoplasma in een Amoebe waarbij het verstevigde cytoplasma (plasmagel) wordt omgevormd tot vloeibaar cytoplasma (plasmasol) bij het intrekken van een pseudopodium. Bij het uitsteken van een pseudopodium wordt het plasmasol omgevormd tot plasmagel [Bray, 2001].

Enkele soorten amoebes blijken zich te kunnen verplaatsen zonder pseudopodia, hoewel hun cytoplasma wel blijkt te stromen, en wel van de achterkant van de cel naar de voorkant (zie figuur 5.14). Opvallend is dat als deze amoebes vooruit kruipen langs een oppervlak, kleine deeltjes aan hun oppervlak blijven kleven en eigenlijk vooruit bewegen alsof ze aan het oppervlak zelf vastzitten. De bewegingspatronen van de deeltjes vormen een indicatie dat de celmembraan rondom de cel draait, voorwaarts over de bovenkant van de cel en achterwaarts langs de onderkant, terwijl de membraan aan de onderkant zich niet verplaatst ten opzichte van het oppervlak waarover bewogen wordt. De afrollende beweging van de membraan is vergelijkbaar met de band van een rupsvoertuig. Deze manier van voorbewegen heeft echter een nadeel als de amoebe zich in een ruimte bevindt waarbij het organisme rondom in contact is met het oppervlak. De cel beweegt zich dan namelijk niet meer voort, maar draait rondom zijn as. Een amoebe die pseudopodia uit kan steken en weer intrekken kan in zo’n omgeving wel vooruit komen.

Figuur 5.14: In de linker tekening is vanuit een bovenaanzicht te zien hoe het cytoplasma van een amoebe vanuit het achterste naar het voorste deel van de cel stroomt. De rechter tekening laat de afrollende beweging van een amoebe vanuit een zijaanzicht zien. De pijltjes geven weer de stroming van het cytoplasma weer en de stippellijn de latere positie van de cel [Dusenbery, 1996].

34

5.3.3 Voortbeweging van cellen binnen ons menselijk lichaam Vrij bewegende cellen Ons menselijk lichaam is opgebouwd uit vele cellen die gefixeerd zitten in het weefsel waar het deel van uitmaakt. Er zijn ook cellen die actief los in ons lichaam bewegen. Te denken valt dan aan spermacellen maar ook witte bloedcellen. Witte bloedcellen kunnen door de wanden van kleine bloedvaten heen migreren om vervolgens als bewegende cellen te kruipen door het weefsel waarin ze terecht zijn gekomen. Hier kunnen ze hun taak uitvoeren als defensie-mechanisme tegen infecties. Bij een infectie van het bindweefsel door bijvoorbeeld de aanwezigheid van bacteriën die infecties veroorzaken, wordt er een chemisch signaal afgegeven. Hierdoor treedt er een verandering op van moleculen in de wand van het bloedvat. De witte bloedcel die meestroomt in het bloed hecht zich aan deze moleculen en migreert door het bloedvat heen om vervolgens door het bindweefsel naar de bacteriën te kruipen en deze te vernietigen. Andere cellen die door het bindweefsel kunnen kruipen zijn macrofagen en fibroblasten. Macrofagen bewegen zich vrij rond in het bindweefsel en ruimen hier resten van dode cellen en bacteriën op door deze letterlijk op te eten. Fibroblasten zorgen voor de aanmaak van collageenvezels en organiseren deze tot bundels en netwerken. Fibroblasten bewegen normaal bijna niet. Alleen als er ergens beschadiging is van weefsel migreren ze er naartoe om collageen-netwerken op te bouwen. Een gekweekte fibroblast beweegt zich buiten het lichaam voort zoals te zien is bij amoebes. De beweging is echter net iets anders in grootte en vorm. De fibroblast beweegt soepel over de ondergrond met platte uitgespreide lamellipodia aan de voorkant. Bij de voorwaartse beweging wordt de fibroblast in een driehoekige vorm getrokken, waarbij de lamellipodia één kant van de driehoek vormt (zie figuur 5.15). De andere twee zijden, die naar achteren wijzen, zijn glad en niet beweegbaar. Aan de achterkant is de cel in een lange staart getrokken die periodiek loskomt en terug in de cel wordt getrokken. De fibroblast komt vooruit doordat de lamellipodia zich hecht aan de ondergrond. Hiervoor worden actine filamenten gebruikt die door de celwand heen aan de ondergrond hechten [Bray, 2001].

Figuur 5.15: Fibroblast die tijdens het voortbewegen in een driehoekige vorm wordt getrokken [Bray, 2001].

Voortbeweging macrofaag Het mechanisme waarbij cellen zich voortbewegen met behulp van schijnvoetjes is voor het eerst gevonden bij amoebes. Ook cellen in hogere organismen bewegen zich echter op deze manier voort. Een theorie over de werking van dit mechanisme was dat substanties van de cel het ene moment vloeibaar en het andere moment vaster van structuur kunnen zijn. De biologen van de 18de eeuw veronderstelden al een voortstuwende kracht door de verandering van vloeibaar naar vast, zoals reeds beschreven bij de voortbeweging bij amoebes. Hieronder

35

zal een een tweede theorie van de voortstuwende kracht die achter de beweging zit worden uitgelegd [Stossel, 1990]. Hiervoor wordt er een macrofaag bestudeerd. Een macrofaag is een cel die vrij in het weefsel van een organisme voorkomt. De cel ruimt afbraakproducten, dode cellen en bacteriën die niet in het weefsel thuishoren op. In het menselijke lichaam kruipen er meer dan 100 miljoen van deze macrofagen een paar millimeters per dag. In het midden van het cellichaam van de macrofaag is het cytoplasma (endoplasma) vloeibaar. Het cytoplasma (peripheral cytoplasma) dat zich aan de rand van het celmembraan bevindt is gel-achtig van structuur. In het peripheral cytoplasma bevinden zich geen celorganellen omdat het versterkt is met een netwerk van actine. Bij een experiment waarbij de cel werd verhit tot een temperatuur die iets hoger ligt dan voor de cel comfortabel, is gebleken dat het peripheral cytoplasma verantwoordelijk is voor de beweging van de cel. Door de verhitting kwam het peripheral cytoplasma los en kroop het vervolgens weg van de rest van de cel. De rest van de cel bleef roerloos achter. Het losgekomen peripheral cytoplasma behield nog enkele uren de mogelijkheid om te bewegen bij toediening van de juiste stimulus. De gel-achtige structuur van het peripheral cytoplasma ontstaat door het netwerk van actine filamenten. De aanmaak van actine-filamenten in het periheral cytoplasma gaat in twee fases. Eerst worden er clusters van 2 á 3 moleculen gevormd van de aanwezige actine moleculen in de cel. In de tweede fase hechten er actine moleculen aan deze clusters zodat er lange ketens (filamenten) van actine moleculen kunnen ontstaan. De moleculen hebben de voorkeur om aan één bepaalde kant van de keten aan te hechten. De verbindingen tussen het aldus ontstane 3-dimensionale netwerk van actine-filamenten worden gevormd door ABP eiwitten. Deze kunnen actine-filamenten onder een bepaalde hoek aan elkaar verbinden. De poriën in het netwerk zijn te klein voor cel organellen zoals mitochondriën. In de cel van de macrofaag zijn ook myosine moleculen gevonden. De theorie ontstond dat het netwerk van actine filamenten door myosine kan worden ingeklapt met het “slidingfilament mechanisme” zoals in spieren van hogere organismen. In de macrofaag fungeren de ABP eiwitten hierbij als scharnierpunten. Door het inklappen van het netwerk zou een pseudopodium ingetrokken kunnen worden (zie figuur 5.16). Er is echter gebleken dat de myosine in macrofagen verschilt van de myosine die in spiercellen wordt gevonden. Het “sliding-filament mechanisme” blijkt dan ook niet op te gaan.

Figuur 5.16: Het mechanisme waarbij het actine netwerk ingeklapt kan worden door myosine, waarbij ABP eiwitten als scharnierpunten dienen. De myosine schuift over het onderste actine-filament volgens het “sliding filament mechanisme”. Als het actinenetwerk vast zou zitten aan de celwand van een pseudopodium, zou dit tot het terugtrekken van het pseudopodium kunnen leiden [Stossel, 1990].

Ontstaan van pseudopodia bij macrofagen In de celwand van een macrofaag bevinden zich receptoren voor bepaalde antilichamen. Als een antilichaam in het weefsel zich hecht aan de receptor van de macrofaag komt er een

36

reactie op gang. Op de plek waar het antilichaam aan de receptor is gebonden wordt het actine-netwerk afgebroken (zie figuur 5.17). Door de afbraak van het actine-netwerk komen er losse actine moleculen vrij waardoor de concentratie moleculen in deze regio toe zal nemen. Vervolgens zal er door osmose (verplaatsing van vloeistof van een lage concentratiegradiënt naar een hoge concentratiegradiënt) vloeistof worden gezogen naar de regio waar de afgebroken actine moleculen zich bevinden. De aangezogen vloeistof is afkomstig van vloeibaar cytoplasma dat zich onder het peripheral cytoplasma bevindt De druk onder de celwand waar de vloeistof wordt aangezogen neemt toe en de celwand zal gaan uitstulpen waardoor een pseudopodium wordt gevormd. Vervolgens wordt het actine-netwerk opnieuw opgebouwd in het pseudopodium. Hierdoor zakt het pseudopodium niet in als de vloeistof weer terugstroomt. Het ontstaan van pseudopodia kan in twee fases worden onderverdeeld: De afbraak van het actine-netwerk en de wederopbouw van het netwerk. De afbraak van actine-filamenten gaat onder invloed van een eiwit, gelsoline, en Ca++. Gelsoline bevindt zich al in het actine-netwerk maar is pas actief als het gebonden wordt aan Ca++. De Ca++ ligt opgeslagen in blaasjes in het cytoplasma. Als een antilichaam hecht aan de receptor in de celwand wordt een ander eiwit vanuit de celwand losgelaten. Dit eiwit zorgt ervoor dat de Ca++ wordt vrijgelaten en zich kan binden met gelsoline. Het geactiveerde gelsoline breekt de actine-filamenten af tot kleinere stukken en losse moleculen. Het geactiveerde gelsoline gaat vervolgens op de uiteinden van afgebroken stukken actine-filamenten zitten zodat deze niet opnieuw aan kunnen groeien. Een ander eiwit, profiline, gaat op de losse actinemoleculen zitten zodat deze ook geen nieuwe filamenten kunnen vormen. Als het actine-netwerk is afgebroken en er door de aanzuiging van vloeistof een pseudopodium is ontstaan, dan moet het netwerk weer worden opgebouwd. Dit gebeurt doordat actine-filamenten en actine-moleculen naar de celwand migreren. Als deze vervolgens in aanraking komen met de lipides in de celwand wordt de gelsoline en profiline er weer vanaf gebroken. De aanmaak van nieuwe actine filamenten komt dan meteen op gang in het pseudopodium.

Figuur 5.17: Door de hechting van een antilichaam aan een receptor wordt ter plaatse het actine-netwerk onder de celwand afgebroken. De concentratie van actine neemt hierdoor toe en door osmose wordt er vloeistof vanuit het onderliggende cytoplasma aangezogen. De druk tegen de celwand stijgt en er ontstaat een pseudopodium. Vervolgens wordt in het pseudopodium het actine-netwerk weer opgebouwd [Stossel, 1990].

5.3.4 Voortbeweging bij Ascaris sperma cel Bij de voorbeweging door middel van uitstulpingen worden de uitstulping niet altijd opgebouwd uit actine filamenten. Bijvoorbeeld de sperma cel van een spoelworm, in dit geval de spoelworm Ascaris, gebruikt hiervoor een ander eiwit, namelijk het MSP (Major Sperm

37

Proteïn) [Bottino et.al, 2002]. Deze spermacel heeft geen flagel en beweegt zich voort op eenzelfde manier als de amoebe. Het verschilt dat de cel geen netwerk van actine filamenten bevat in het pseudopodium, die lamellipodium wordt genoemd omdat deze breed en plat gevormd is, maar een netwerk gemaakt van MSP filamenten. De aanmaak van deze filamenten is afhankelijk van de PH. Bij een PH onder de 6.0 worden de MSP filamenten afgebroken [Bray, 2001]. In figuur 5.18 C is te zien hoe de PH gradiënt is verdeeld in het lamellipodium van de sperma cel. In het leidende uiteinde van het lamellipodium is de PH boven de 6.0, hier kan het MSP filamenten netwerk aangemaakt worden waardoor het lamellipodium in voorwaartse richting aangroeit. Kleine voetjes die ontstaan doordat het MSP filamenten netwerk tegen de celwand aanduwt hechten zich aan de ondergrond. In het gebied van het lamellipodium vlakbij de celkern is de PH beneden de 6.0, hier wordt het MSP filamenten netwerk afgebroken. Hierdoor ontstaat er een elastische spanning die de cel in dit gebied doet intrekken. Het achterste gedeelde waar de celkern zich in bevindt is niet vastgehecht aan de ondergrond en zal naar het lamellipodium toegetrokken worden.

Figuur 5.18: Spermacel van de spoelworm Ascaris A: Het boven aanzicht van een Ascaris spermacel. De lamellipodium kan onderverdeeld worden in 3 regio’s: LE, het leidende uiteinde waar de aanmaak van een gel-achtige structuur plaatsvindt (netwerk van vezels gemaakt van MSP). PR, het gebied waarin de gel vloeibaar wordt waardoor er een samentrekkende spanning ontstaat. IR, het gebied waarin de gelstructuur in de cel constant blijft. B: Doorsnede van de Ascaris sperma cel. Het netwerk van vezels duwt tegen de celwand, waardoor er villipodia (kleine voetjes) onstaan welke kunnen hechten aan de ondergrond. C: Deze grafieken tonen hoe de PH gradient, het aanhechtingsvermogen, de dichtheid van de gel en de elastische spanning verdeeld zijn in de lamellipodium [Bottino et.al., 2002].

5.3.5 Voortbeweging bij Foraminifera Foraminifera leeft op de bodem van de zee. De cel zit in een eigengemaakt huis dat steeds aangroeit. In het huis zitten openingen zoals te zien is in figuur 5.19. Hierdoor kan de cel als hij in aanraking komt met de ondergrond, een steel naar buiten laten komen, welke als een circelachtige hoop cytoplasma uitstulpt. Hieruit komen vervolgens talrijke lange strengen die gezien kunnen worden als de pseudopodia van de foraminifera. Deze pseudopodia zorgen voor zowel de voortbeweging van de cel als voor het verzamelen van voeding. Voedsel wordt dan over de pseudopodia naar het huis getransporteerd. Voor de voortbeweging worden de

38

pseudopodia ingetrokken, doordat de pseudopodia een hechting hebben aan de ondergrond word het cellichaam met het huis waar het zich in bevind vooruit getrokken. De pseudopodia van foraminifera kunnen veel sneller verlengen als die van vertebrale weefselcellen. Foraminifera pseudopodia kunnen verlengen met een snelheid van 1µm/s, zelfs bij temperaturen beneden de 0oC. Het terugtrekken van de pseudopodia kan opgewekt worden door stress toe te voegen aan de omgeving. Dit kan door bijvoorbeeld de temperatuur te laten stijgen of door blootstelling aan extra zout zeewater. Over het mechanisme wat verantwoordelijk is voor het terugtrekken van de pseudopodia is nog niet veel bekend. Een andere eigenschap van de pseudopodia van foraminifera is dat ze samenklonteren als ze losraken van de moedercel, door bijvoorbeeld sterke stroming in het water,. Als zo’n samenklontering dan weer in aanraking komt met de moedercel kan deze hiermee weer samensmelten. Hierdoor kan de cel verloren energie weer terugwinnen. [Travis & Bowser,1991] De foramina in de waddenzee worden bestudeerd door een onderzoeksgroep onder leiding van Prof.dr.G.J.Van der Zwaan van de faculteit aardwetenschappen aan de universiteit Utrecht. Hierbij gaat het vooral om het huis waar de cel in leeft. De stoffen die zich in dit huis bevinden kunnen namelijk veel informatie verschaffen over de aanwezigheid van bepaalde stoffen in de bodem waar de foraminifera gevonden zijn.

Figuur 5.19: Afbeelding van verschillende soorten foraminifera. De huisjes lijken op schelpen, ze zijn echter microscopisch klein [Van Egmond, 2000].

5.4

Voortbewegen door zwaartepuntverplaatsing

Euglena zijn te vinden in zoetwateromgevingen in de bovenlaag waar het zonlicht door kan dringen. De cel heeft zowel dierlijke als plantaardige eigenschappen. Het bezit namelijk zowel mitochondrien als chloroplasten. Euglena zwemmen met behulp van één flagel, die zich op een schroefachtige manier beweegt. Factoren uit de omgeving, zoals het licht van een microscoop, veroorzaakt ongecontroleerde bewegingen van de flagel. Specifiek voor Euglena is dat ze hun lichaam kunnen vervormen. Deze beweging is typisch voor deze soort en wordt de metaboly genoemd. Door het lichaam plaatselijk te vergroten en deze vergroting vervolgens over het cellichaam te verplaatsen verplaatst het zwaartepunt van de cel, waardoor de cel in een waterige omgeving zal gaan kantelen [Fletcher & Theriot, 2004]. De cel gebruikt metaboly (lichaamsvormverandering bij Euglena) dus om van richting te veranderen door zwaartepuntverplaatsing. Euglena kunnen metaboly ook gebruiken om over een substraat te

39

kruipen. In figuur 5.20 is toe zien hoe een Euglenoid door zwaartepunt-verplaatsing van richting veranderd.

Figuur 5.20: Fotos van een filmopname waarbij te zien is dat de Euglenoid zijn lichaam plaatselijk vergroot vanaf de top naar de staart en hierbij linksom kantelt [Fletcher & Theriot, 2004].

Het mechanisme voor metaboly zit hem in de structuur onder de celwand van de cel. Onder de celwand bevind zich de pellicle: een dunne flexibele laag bestaande uit spiraalsgewijs gevormde eiwitten die in stroken overlappend over elkaar heen lopen en zo de richels en groeven van de celwand vormen, zoals in de dwarsdoorsnede van een euglenoid in figuur 5.21 te zien is. Het langs elkaar bewegen van deze stroken veroorzaakt de typisce beweging van Euglena, metaboly. De celwand van de Euglena moet heel plastisch zijn, omdat er soms cellen worden opgegeten die dezefde grootte hebben als de Euglena. De celwand moet dan in oppervlak kunnen verdubbelen. De plasticiteit van de celwand hangt af van de hoeveelheid stroken die zich in de pellicle bevinden: cellen met weinig stroken zijn stijf. cellen met veel veel stroken zijn plastisch [Leander, 2004]. De richting waarin de stroken over de celwand lopen en het patroon dat daardoor op de celwand ontstaat wordt gebruikt om de verschillende typen van Euglena te classificeren.

Figuur 5.21: Celwand van de Euglena. linker plaatje is een dwarsdoorsnede van een Euglenoid waarin heel duidelijk de richels en groeven te zien zijn in de celwand. Rechter foto is een opname gemaakt met een raster elektronen microscoop. De stroken over de celwand zijn ook hier duidelijk te zien [Leander & Farmer, 2000].

40

Hoofdstuk 6: Discussie De volgende twee punten verdienen de aandacht wanneer men technische toepassingen wil ontwerpen en daarbij inspiratie wil ontlenen aan eencelligen. 1. Wanneer men machines wil bouwen op de schaal van de eencelligen, dan is het verstandig om rekening houden met het feit dat op deze schaal lage Reynolds-kengetallen gelden. Dit betekent dat voor zeer kleine objecten viscositeit overheerst en massatraagheid nauwelijks een rol speelt. Dit heeft als gevolg dat een voortbeweging middels een onomkeerbare beweging moet geschieden. 2. Het is heel goed mogelijk dat men inspiratie ontleent aan de voortbeweging van eencelligen voor het ontwerp van apparaten die veel groter zijn dan die eencelligen. In dat geval is het misschien verstandig dat men bedenkt dat, zoals in het vorige punt vermeld, voor eencelligen lage Reynolds-kengetallen gelden. Voor eencelligen gelden hierdoor andere mogelijkheden en beperkingen dan voor de apparaten die men wil ontwikkelen. Enkele zeer interessante zaken in het kader van technische toepassingen zijn de volgende punten: 1. Het mechanisme dat de amoebe in staat stelt te kruipen. Dit organisme kan de vloeibaarheid van zijn celplasma naar believen veranderen. Dat wil zeggen: het plasma kan gel-achtig zijn of juist vloeibaar. Dit gegeven gebruikt de amoebe om delen van zijn lichaam uit te stulpen als een soort "schijnvoetjes". Dat doet hij zodanig dat hij zich voort kan bewegen. 2. Bepaalde soorten bacteriën gebruiken een uit eiwit opgebouwd, ronddraaiend motortje om een spiraalvormige structuur als een schroef te laten draaien. Een alsmaar in dezelfde richting draaiende schroef is de eenvoudigste manier van voortbeweging wanneer lage Reynolds-kengetallen van toepassing zijn. 3. De zweepstaarten van protisten zijn tot zeer complexe buigpatronen in staat. Dit is te danken aan buitengewoon vernuftige, doch helaas grotendeels nog onbegrepen regelmechanismen. Wanneer men apparaten wil ontwikkelen die met verschillende segmenten (onafhankelijk van de andere segmenten) moeten kunnen buigen, kan het zeer inspirerend zijn om het onderzoek naar de bewegingen te volgen. Natuurlijk zijn dan vooral de bewegingsmechanismen van de protisten-zweepstaart interessant. 4. De Heliozoa kunnen zich over een oppervlak bewegen door zich als een bal voort te rollen. Hiertoe gebruikt het organisme uitsteeksels die zich over het gehele celoppervlak verspreid bevinden. De uitsteeksels verlengen en verkorten zich gecoördineerd om een gecontroleerde beweging in gang te kunnen zetten. Zo'n soort mechanisme is natuurlijk zeer interessant voor apparaten die zich in een aardig tempo over een zeer onregelmatig oppervlak moeten kunnen verplaatsen. Te denken valt hierbij aan sondes die bijvoorbeeld het rotsachtige landschap van andere planeten moeten doorkruisen. Men moet er wel op rekenen dat een dergelijke wijze van voortbewegen om een flexibel regelmechanisme vraagt, dat op intelligente wijze en zelfstandig met de zich aandienende omstandigheden om kan springen. Hier sluit het volgende punt goed op aan. 5. Er hebben zich bij eencelligen in de loop van de evolutie zeer effectieve methoden ontwikkeld om zich op adequate wijze te kunnen handhaven in een voortdurend veranderende omgeving. Een voorbeeld hiervan is de manier waarop de bacterie E. coli naar optimale leefomstandigheden zoekt. Een ander voorbeeld is de manier waarop de protist Paramecium obstakels ontwijkt. Er zijn echter nog veel meer voorbeelden te vinden. Het gedrag dat al deze eencelligen vertonen is eenvoudig doch doeltreffend. De mechanismen die er aan ten grondslag liggen zijn zonder meer ingenieus te noemen. Het

41

is beslist de moeite waard om het gedrag van eencelligen tot onderwerp van studie te maken, wanneer men apparaten wil ontwikkelen, die autonoom en flexibel in een complexe en veranderlijke omgeving moeten kunnen functioneren.

42

Hoofdstuk 7: Samenvatting Dit verslag is geschreven in een poging een overzicht te krijgen over wat er heden ten dage bekend is over voortbewegingsmechanismen van eencellige organismen. De wens om zo'n overzicht te verkrijgen is voortgekomen uit het idee dat men, door de natuur te bestuderen, inspiratie op kan doen voor de ontwikkeling van technische toepassingen. Om een dergelijk overzicht te verkrijgen is echter wel eerst een literatuurstudie vereist. In deze samenvatting zal kort op een rij gezet worden wat er in de literatuur aan informatie gevonden is. Omdat eencelligen zeer klein zijn hoeven ze voor de verdeling van voedingsstoffen slechts gebruik te maken van diffusie. Ze hebben dus niet zoals grotere organismen een vaatstelsel nodig. Tevens is de oppervlakte-inhoud verhouding van eencelligen gunstig. Ze hebben geen voorzieningen nodig als longen of kieuwen nodig voor bijvoorbeeld de zuurstof-toevoer. Dat er bewegingsmechanismen zijn ontstaan bij eencelligen is niet zo verbazingwekkend als men bedenkt dat bewegen een efficiënt middel is om voedingstoffen, licht of een partner te vinden. Op eigen kracht kunnen eencelligen niet ver komen. Maar dit is ook niet nodig, het chemische milieu kan namelijk over een afstand van enkele millimeters al enorm veranderen. Het Reynolds-kengetal is een belangrijk concept bij stromingsleer. Het Reynolds-kengetal wordt bepaald door de verhouding tussen krachten tengevolge van traagheid en krachten tengevolge van de viscositeit. Het blijkt zo te zijn dat bij een laag Reynolds-kengetal, zoals in geval van eencelligen, de viscositeit overheerst over de traagheid. Bij grotere organismen is precies het tegenovergestelde het geval. Bij hen overheerst de traagheid. Het feit dat bij eencelligen de viscositeit overheerst heeft belangrijke consequenties voor de wijze van voortbewegen. Namelijk: wanneer de beweging omkeerbaar is, dan zal het organisme netto niet verplaatsen. De beweging dient dus onomkeerbaar te zijn, want dan zal er wel een netto verplaatsing zijn. Voor een groter or- ganisme is een onomkeerbare beweging niet persé vereist. Voor de duidelijkheid: van een omkeerbare beweging is sprake als de ene helft van de bewegingcyclus dezelfde elementen heeft als de andere helft, maar dan in omgekeerde volgorde. Wanneer dit bij een bewegings-cyclus niet het geval is, betreft het een onomkeerbare beweging. In dit verslag is ervoor gekozen om de groep "eencelligen" te verdelen in bacteriën en protisten. Dit omdat deze groepen, voor wat betreft celopbouw en voortbewegingsmechanismen, sterk van elkaar verschillen. De voortbewegingsmanieren waar de diverse soorten bacteriën zich van bedienen zijn: zwemmen met zweepstaart, zwemmen zonder zweepstaart en voortbeweging door te glijden. De zweepstaart van de met-zweepstaart-zwemmende-bacteriën, fungeert als een schroef. Een almaar in dezelfde richting draaiende schroef is een goed voorbeeld van een onomkeerbare beweging. Deze schroef wordt aangedreven door een mechanisme dat sterk doet denken aan een electromotor. Dan zijn er ook nog bacteriën die niet met hun zweepstaarten door de vloeistof schroeven, maar met hun eigen schroefvormige lichaam. Er zijn ook bacteriën die op nog onbegrepen wijze zonder waarneembare bewegende structuren zwemmen. Er is een interessante hypothese geformuleerd, die stelt dat het mechanisme op ionenstromen is gebaseerd. Helaas is deze hypothese niet houdbaar gebleken. Bacteriën die glijden, kunnen dit op twee manieren doen, door zich aan kleine uitsteeksels voort te trekken die ze aan de ondergrond of soortgenoten vasthechten, of door de uitscheiding van slijm en het slijm bindt zich aan de ondergrond. Hierdoor ontstaat een voortstuwende kracht die de bacterie vooruit duwt. Bij de diverse soorten protisten kunnen de volgende voortbewegingsmanieren aangetroffen worden: zwemmen met zweepstaart, voortbewegen door uitstulpingen, voortbewegen door zwaartepuntverplaatsing. De zweepstaart van protisten werkt fundamenteel anders dan de zweepstaarten van bacteriën. Het onderliggende mechanisme doet sterk denken aan dat van 43

onze spieren. Het is namelijk gebaseerd op draadachtige structuren, zogeheten "filamenten", die langs elkaar heen schuiven. Door nog grotendeels onbegrepen regelmechanismen die de schuivende filamenten in de zweepstaart sturen, ontstaan buitengewoon complexe bewegingen. Sommige soorten zwemmen niet, maar gebruiken zweepstaart- / trilhaar-achtige structuren als een soort "benen" om over een ondergrond te lopen. Weer andere zijn bolvormig en bewegen hun zweepstaart- / trilhaar-achtige structuren zodanig dat ze als een bal over een oppervlak kunnen rollen. Protisten die zich bedienen van voortbeweging door uitstulpingen maken op uiterst ingenieuze wijze gebruik van het gegeven dat hun celplasma twee verschillende toestanden kent: één die uitermate vloeibaar is en één die wat steviger is. Het organisme kan het plasma selectief van de ene toestand in de andere over laten gaan. Uitstulpingen kunnen uitgestoken worden omdat de protist het vloeibare plasma de uitstulping in laat stromen. Sommige protisten trekken hechten de uitstulpingen vast aan de ondergrond, en trekken zich vervolgens eraan voort, andere protisten verplaatsen zich over een oppervlak door hun hele lichaam in de uitstulping te laten vloeien. Bij voortbeweging door zwaartepuntverplaatsing kantelt het organisme zich als het ware door de vloeistof door zijn lichaamsmassa te verplaatsen. Het is zonder meer duidelijk dat er onder de vele soorten eencelligen zeer interessante en bijzonder vernuftige bewegingsmechanismen aangetroffen kunnen worden. Helaas blijkt er nog veel te zijn dat niet bekend is, misschien wel mede omdat de voortbewegingsmechanismen zo vernuftig in elkaar zitten. Wat tijdens het uitvoeren van de literatuurstudie ook zeer duidelijk is geworden, is dat biologen meestal geen technici zijn. Dit beïnvloedt zeer sterk de wijze waarop biologen de eencelligen onderzoeken. Dit resulteert in een geringe hoeveelheid informatie over de mechanische kanten van het voortbewegen. Met betrekking tot technische toepassingen die men op voortbewegingsmechanismen van eencelligen wil inspireren, is het misschien aanbevelenswaardig om altijd in gedachten te houden dat eencelligen gebouwd zijn op functioneren in een omgeving met lage Reynolds-kengetallen. Dit terwijl menselijke maaksels op voor het blote oog zichtbare schaal veeleer met hogere Reynolds-kengetallen te maken krijgen.

44

Literatuurlijst • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Alexey, J., Magdalene, S. and Michael, P.(2000), Pilus retraction powers bacterial twitching motility, Nature vol.407 Bottino, D., Mogilner, A., Roberts, T., Stewart, M. and Oster, G. (2002), How nematode sperm crawl, Journal of Cell Science vol.115. Breedveld, P., Scheltes, J.S., Blom, E.S., Verheij, J.E.I. (nog te publiceren 2005), Miniature steerable mechanism inspired by tentacles of squid for use in endoscopes, instruments and catheters., IEEE Engineering in Medicine & Biology Magazine. di Primio, F., (2000), Minimal Cognition in Unicellular Organisms, International Society for Adaptive Behavior, Honolulu, pp. 3-12 Dusenbery, D.B.(1996), Life at small scale, The Scientific American Libery. Egmond, W. van (2001), Amoebas are more than just blobs, Micscape Magazine, September edition Eisenbach M. (1996), Control of bacterial chemotaxis, Mol Microbiol. vol.20 no.5 pp.903-910. Leander, B.S. (2004), Did trypanosomatid parasites have photosynthetic ancestors?, Trends in Microbiology vol.12 no.6. Leander, B.S. and Farmer, M.A. (2000), Comparative Morphology of the Euglenid Pellicle. I. Patterns of Strips and Pores, J. Eukaryot. Microbiol vol.47 pp.469–479 Margulis, L. (1981). Symbiosis in Cell Evolution, pp.206-227. W. H. Freeman and Company, San Francisco. McBride, M.J. (2001), Bacterial gliding motility: Multiple Mechanisms for Cell Movement over Surfaces, Annu. Rev. Microbiol. vol.55, pp.49–75. Mitchell, P. (1956), Hypothetical thermokinetic and electrokinetic mechanisms of locomotion in micro-organisms, Proc. R. Phys. Soc. Edinburgh vol.25 pp.32–34. Pitta, T.P. and BERG, H.C. (1995), Self-Electrophoresis Is Not the Mechanism for Motility in Swimming Cyanobacteria, Journal of bacteriology, Okt. pp. 5701–5703. Purchell, E.M.(1973), Life at low Reynolds numbers, American Journal of Physics vol.45, pp.3-11 Stossel, T.P. (1990), How Cells Crawl, American Scientist, vol.78 pp.408-423. Travis, J.L. and Bowser, S.S. (1991), The motility of foraminifera, Biology of the foraminifera, pp.91-153, Wolfgang, M., Putten J.P.M. van, Hayes S.F., Dorward D and Koomey M.(2000), Components and dynamics of fiber formation define a ubiquitous biogenesis pathway for bacterial pili, The EMBO Journal vol.19. no.23 pp.6408-6418. Wolgemuth, C., Hoiczyk E, Kaiser D.and Oster G. (2002), How Myxobacteria Glide, Current Biology, vol.12, pp.369–377.

45

Bijlage I: Informatieverwerking bij eencelligen Voor een organisme is het van belang om het inwendige milieu relatief constant te houden. Dit kan het niet doen zonder het uitwendig milieu. Voedingstoffen moeten worden aangevoerd vanuit het uitwendige milieu, afvalstoffen worden er in geloosd. Een bijkomende moeilijkheid is dat het uitwendige milieu grote variaties vertoont. Het uitwendige milieu kan allerlei ongewenste invloeden op het organisme kan uitoefen, zoals blootstelling aan toxische stoffen, ongunstige temperaturen. En dan kan het organisme ook nog eens een prooi vormen voor andere organismen. Om in een zo’n gunstig mogelijke omgeving te verkeren is het noodzakelijk dat het organisme in staat is om iets te doen in het uitwendige milieu, wat neer komt op het ervoor zorgen dat het in omstandigheden verkeert waarin het handhaven van een constant inwendig milieu optimaal kan gebeuren. Om dat te kunnen doen is het van belang dat: - het organisme met sensoren informatie kan registreren over de toestand in het interneen externe milieu - het organisme moet effect kunnen hebben op zijn omgeving. Dit kan inhouden dat het organisme er voor moet zorgen dat voedingstoffen opneembaar worden door uitscheiding van enzymen, of dat het zich zelf met behulp van een voortbewegingsmechanisme kan verwijderen wanneer omstandigheden ongunstig worden. De elementen waarmee het organisme effect uitoefent op de omgeving worden effectoren genoemd. - Het organisme moet beschikken over een besturingsysteem, wat er voor zorgt dat de door de sensoren geregistreerde informatie leidt tot het adequaat inzetten van de effectoren. Het komt kort gezegd hierop neer: het organisme moet informatie kunnen verwerken. Dit hoofdstuk gaat in op de informatie verwerking van organismen. Chemotaxis bij bacteriën Het woord "taxis" is het verplaatsen van een organisme onder invloed van een uitwendige prikkel. Het begrip "chemotaxis" kan dus opgevat worden als "verplaatsen onder invloed van een chemische prikkel". Chemotaxis bij bacteriën werd einde 19e eeuw door de Duitse botanist Wilhelm Pfeffer ontdekt. Hij ontdekte dat bacteriën tegen een diffusiegradiënt van glucose in een oplossing in kunnen zwemmen. Als een E.coli ( een bepaalde bacteriesoort) zwemt, dan is te zien dat hij een kort stukje rechtuit zwemt, van richting veranderd, en vervolgens weer een kort stukje rechtuit zwemt. De richtingsverandering voltrekt zich volstrekt willekeurig. De fase die zich kenmerkt als "rechtuit zwemmen" wordt een "run" genoemd, de fase van de richtingsverandering heet een "tumble". Het woord "tumble" kan als tuimelen vertaald worden. En dat klopt ook wel, de tumble-fase kenmerkt zich als een chaotische beweging op de plaats. De runs afgewisseld met de tumbles geschieden in een bepaald ritme, het zogenaamde run-tumble ritme. Dit ritme veranderd onder invloed van de aanwezigheid van attractants (voedingstoffen) of repellants ( schadelijke stoffen) in de oplossing. Bij aanwezigheid van attractants zal de bacterie zich gaan bewegen in de richting van de hoogste concentratie van die stof. In de aanwezigheid van repellants, daarentegen, zal de bacterie zich bewegen in de richting van de laagste concentratie van die stof. Dit geschiedt volgens een "trial and error" methode. In het geval van een attractant worden de runs verlengd wanneer de bacterie zich beweegt in een richting van toenemende concentratie, de tumbles nemen in frequentie af. Het run-tumble ritme is dan dus anders dan in de niet-gestimuleerde situatie

46

Figuur 1: Chemotaxis bij de E.coli. In de figuur is de route die de bacterie aflegt als een zigzag lijn. De knikpunten zijn de momenten van de "tumble". De rechte stukken stellen de "run" voor. De concentrische cirkels geven de concentratiegradiënt van de attractant weer. Deze is het hoogste in het centrum en het laagst bij de rand van de buitenste cirkel. Duidelijk is de verlenging van de "runs" te zien wanneer de bacterie in een richting van toenemende concentratie zwemt en een verkorting van "runs' wanneer hij in een richting van afnemende concentratie zwemt.

Het gedrag wat een bacterie vertoont bij een toegenomen attractant-concentratie kan informeel als volgt omschreven worden: "beweeg in een bepaalde richting. Als de omstandigheden beter worden, blijf in die richting doorgaan. Als de omstandigheden niet beter worden, probeer een nieuwe willekeurige richting" [di Primio, 2000] Net als veel andere sensor-systemen, reageren bacteriën op verschillen in stimulus-intensiteit, dat wil zeggen, veranderingen in concentratie. Ze reageren niet zozeer op absolute waarden. [di Primio, 2000]. Bacteriën zijn te klein om twee metingen tegelijkertijd te kunnen verrichten door middel van sensoren op verschillende plekken op het lichaam. Om de richting van een gradiënt te bepalen, beweegt de bacterie van één positie naar een andere en verricht de bacterie na elkaar op beide posities metingen. De meetresultaten worden dan met elkaar vergeleken. Dit betekent dat de bacterie over een simpel geheugen moet beschikken waarin de voorgaande meting wordt opgeslagen. Een consequentie hiervan is dat bacteriën niet kunnen anticiperen op obstakels, hoe deze obstakel ook gedefinieerd is [ di Primio, 2000]. Ze kunnen evenmin een route 'plannen' naar hun doel ( voedingstoffen). Daarom is het gedrag van de E.coli doelgeoriënteerd, maar niet doelgericht. [di Primio, 2000] Adaptatie bij bacteriën Als bacteriën van een attractant-rijke omgeving plotseling worden overgebracht naar een omgeving waarin zich geen ( of weinig en gelijkmatig verdeelde) attractant bevindt, dan neemt de tumble-frequentie toe. Het is dan net alsof de bacteriën 'verrast' zijn door het plotselinge verdwijnen van de attractant en naarstig ernaar beginnen te zoeken. Na verloop van tijd nemen ze het normale run-tumble ritme weer aan, alsof ze 'merken' dat actief zoeken geen zin heeft. Hieruit blijkt dat bacteriën zich aanpassen aan een actuele situatie. Wanneer ze zijn aangepast aan een bepaalde attractant concentratiegradiënt en die opeens verdwijnt, heeft dit zeer duidelijk invloed op hun gedrag. Na verloop blijkt de bacterie zich aan te passen aan de nieuwe situatie door het normale run-tumble ritme weer aan

47

te nemen. Dit duidt erop dat de respons die volgt op een bepaalde stimulus afhangt van de (recente) voorgeschiedenis van de bacterie.

Figuur 2: Het besturingsmechanisme dat verantwoordelijk is voor chemotaxis in E.coli. De zwarte T-vormen stellen de attractants voor. De sensor wordt weergegeven door het gearceerde vlakje waaraan zich een attractant heeft gebonden. De blokken geven chemische reacties weer. De symbolen binnen de blokken geven de reacties aan. De letters A, B, R, Y, stellen de betrokken eiwitten voor. Wanneer een 'p' achter deze letters staan, dan duidt dat op een verbinding met fosfor. ATP is een energierijke fosforverbinding. ADP is ontstaat wanneer ATP één fosfor molecuul heeft afgestaan aan een andere verbinding. De aanduiding CW geef het effect van Yp weer op de motor: de motor veranderd van draairichting van tegen-de-klok-in (Engelse afkorting: CCW) tot metde-klok-mee (Engelse afkorting: CW). De golfvormige lijn aan de motor geeft het zweepstaartje weer.

Het mechanisme dat het hier beschreven gedrag van de bacterie tot stand brengt wordt in figuur 2 gepresenteerd. Het molecuul ATP bind fosfor (p) aan eiwit A, zodat A wordt omgezet in Ap. Ap zet eiwit Y om in Yp. Ap is na deze chemische reactie weer in A veranderd. De aanwezigheid van Yp zorgt voor een bepaalde waarschijnlijkheid dat de flagellaire motor met de klok mee gaat draaien, zodat er een "tumble" ontstaat. Hoe hoger de concentratie Yp in het cytoplasma, hoe vaker de motor met de klok mee zal gaan draaien, dus hoe meer "tumbles". Eiwit Z houdt het gehalte Yp binnen de perken, door Yp te splitsen in Y en p. Als Yp even snel wordt aangemaakt als wordt afgebroken, dan is er een evenwichtsituatie. Dit resulteert in een constant run-tumble ritme, en wel het ritme dat optreedt wanneer de bacterie niet gestimuleerd is. Wanneer er een attractant, zoals galactose (weergegeven als de zwarte T-vormige structuren) aan de sensor (gearceerd) bindt, dan wordt de omzetting van A in Ap geremd. De remmende invloed van de geactiveerde sensor wordt met een '-' teken in de figuur verduidelijkt. Het gehalte Ap in het cytoplasma neemt af, en als gevolg daarvan kan er minder Y in Yp worden omgezet. Minder Yp betekent een lagere tumble frequentie, en dus langere runs (hopelijk) in de richting van de hoogste concentratie attractants. De werking van de

48

sensor wordt geremd door het eiwit R. R bindt namelijk methylgroepen (methylisatie) aan de sensor, zodat de werking van de sensor verzwakt wordt. Dit proces wordt weer tegengegaan door eiwit Bp, die de methylgroepen van de sensor verwijderd (demethylisatie) en hiermee de werking van de sensor bevorderd (aangegeven met '+'). Zijn van R en Bp in gelijke mate werkzaam, dan heffen ze elkaars effect vanzelfsprekend op en ontstaat er een evenwicht. Ap echter, zorgt niet alleen voor de omzetting van Y in Yp, maar ook voor de omzetting van B in Bp. Als door de actieve sensor minder Ap in het cytoplasma aanwezig is, dan komt er dus ook minder Bp bij. De sensor zal dus netto meer gemethyliseerd wordt dan gedemethyliseerd. Dit remt de sensor af. Aldus wordt de werking van de sensor door een negatieve terugkoppeling geregeld. Deze terugkoppeling zorgt ervoor dat de bacterie zich na een bepaalde tijd aanpast aan een constante concentratie van attractants. Het model in figuur2 laat zien dat de koppeling tussen sensor en effector indirect is: er bevinden zich namelijk een aantal tussenstappen. In figuur is slechts één sensor te zien met slechts één eiwitketen. In werkelijkheid beschikt de bacterie over een flink aantal sensoren, die parallel aan elkaar werken. Een deel daarvan reageert specifiek op positieve stimuli, het andere deel reageert op negatieve stimuli. De sensoren die reageren op attractants, zijn ook weer te verdelen in verschillende categorieën. Sommigen reageren op bijvoorbeeld galactose, terwijl anderen weer reageren op glucose. Glucose is voor de E.coli weer aantrekkelijker dan galactose. De verschillende positieve en negatieve stimuli moeten met elkaar geïntegreerd worden en dat gebeurt dan ook. In figuur 2 is het netwerk te zien dat hoort bij de reactie van de bacterie E.coli op de detectie van galactose. Hoe die reactie eruit gaat zien hangt af van wat andere ( niet in figuur weergegeven) sensoren aan verschillende attractants en repellants detecteren. In die zin is de koppeling tussen stimuli en responsen modificeerbaar. Een basale definitie van cognitie (= kennis) luidt dat de koppeling tussen stimuli en responsen indirect en modificeerbaar moeten zijn. Deze definitie en bovenstaande bevindingen, ondersteunen het idee dat bacteriën een minimale vorm van cognitie hebben. Omdat de vermogens van bacteriën zo'n beetje het minimum zijn van wat een levensvorm moet kunnen om een levensvorm te zijn en omdat ze (zover bekend) de kleinste en oudste levensvormen zijn, zou gesteld kunnen worden dat cognitie en leven als synoniem te beschouwen zijn. Dit standpunt is filosofisch gezien zeer interessant. Hoe het ook zij, duidelijk is dat bacteriën dankzij complexe mechanismen uitstekend in staat zijn om een voortdurend veranderende omgeving het hoofd te bieden. Dit danken zij niet alleen aan hun vermogen op flexibele wijze informatie hun omgeving te verwerken, maar ook aan het vermogen om sensoren en effectoren aan te maken wanneer dit vereist is en af te breken wanneer ze overbodig zijn geworden. Dit alles maakt deze organismen tot een zeer interessant studie-object, wanneer men inspiratie wil vinden voor het ontwikkelen van machines die zelfstandig en op intelligente wijze moeten kunnen omgaan met veranderlijke en onvoorspelbare omstandigheden.

49

Bijlage II. Het vermijden van obstakels Een zwemmende eencellige kan geconfronteerd worden met een obstakel. Het spreekt vanzelf dat het voordelig is om zo'n obstakel te kunnen omzeilen. In deze paragraaf zal behandeld worden hoe een bepaalde protist, de paramecium dat aanpakt. Dit organisme is al lang een geliefd onderzoeksobject, omdat de paramecium voor eencelligen vrij groot is, waardoor de cel gemakkelijk aangeprikt kunnen worden met een micro-elektrode. Hierdoor is het eenvoudig veranderingen van het elektrische potentiaal over de celmembraan te meten en de netto-ionstromen door de membraan vast te stellen. Hierdoor is de werking van het reflex waardoor het organisme zijn weg om een obstakel vindt redelijk goed bekend. De paramecium maakt gebruik van een proefondervindelijke methode. Als het organisme al zwemmend tegen een voorwerp aanbotst, zwemt het enkele lichaamslengten achteruit, en zwemt het vervolgens weer vooruit in een iets andere richting. Botst het weer tegen het obstakel, dan worden dezelfde stappen herhaald. De stappen worden herhaald tot organisme in een richting zwemt die niet meer naar het obstakel leidt. Het mechanisme wordt toegelicht aan de hand van figuren 1 en 2

Figuur 1: Het gedrag van een paramecium na een botsing met een obstakel in beeld gebracht (nagetekend uit [Dusenbery, 1996]).

50

1-2 depolarisatie van de cel

3 Actiepotentiaal en instroom van Ca 2+

4-5 Toename Ca2+ concentratie

6-10 Ca2+ wordt weggepompt

Figuur 2: De calciumstromen in de paramecium als gevolg van de botsing (nagetekend uit [Dusenbery, 1996]).

Tengevolge van de botsing vervormd de cel. Deze vervorming leidt tot een opening van membraankanaaltjes, waardoor er een depolarisatie (=vermindering van potentiaalverschil) over de celmembraan optreedt. Deze depolarisatie verspreid zich over de hele cel (1-2). Vervolgens worden kanaaltjes die calcium-ionen (Ca2+) kunnen doorlaten geopend en deze ionen stromen de cel in, waar ze normaal slechts in lage concentratie aanwezig zijn (3). Het calcium bindt zich aan eiwitten en veroorzaakt een verandering in het bewegingspatroon van de cilia, waardoor de cel achteruit gaat zwemmen (4-7). Na het bereiken van een bepaald Ca2+ concentratieniveau, dat is na een paar seconden gaan de kanaaltjes weer dicht, het calcium wordt verwijderd en de cilia hervatten hun normale bewegingspatroon (8-10). Als de paramecium aan zijn achterkant wordt aangeraakt, dan zwemt hij in een spurt vooruit. Ook deze reactie wordt gestuurd door het openen van membraankanaaltjes - in dit geval kanaaltjes die kalium-ionen (K+) kunnen doorlaten - waardoor er ook nu een verandering in de membraanpotentiaal optreedt. Dit gedrag helpt de cel te ontsnappen aan organismen die op hem jagen. Het lijkt erop dat de bewegingspatronen van dit organisme worden gecoördineerd door de membraanpotentiaal. Helaas is er in de literatuur geen gedetailleerde beschrijving gevonden over hoe bijvoorbeeld de calcium-ionen het bewegingspatroon van de cilia veranderen. Interessant is dat de paramecium - net zoals zenuw- en spiercellen in meercellige organismen - gebruik maakt van actiepotentialen.

51