Universiteit Leiden

nl en

Luca Giomi wint ERC Consolidator-subsidie voor stromende cellen

Theoretisch natuurkundige Luca Giomi ontvangt een ERC Consolidator grant van 2 miljoen euro, waarmee hij vloeiende cellen gaat onderzoeken.

Traag kolkend rammensperma, spreeuwenzwermen, de ontwikkeling van embryo's en het uitzaaien van kanker: het zijn niet de standaardonderwerpen waaraan je denkt bij natuurkunde. 

Maar theoretisch natuurkundige Luca Giomi brengt ze allemaal samen in zijn onderzoek naar de hexatische toestand van biologische weefsels, een bijzondere toestand ergens tussen vloeibaar en vast in, die een belangrijke rol lijkt te spelen in de biologie.

Voor dit onderzoek krijgt Giomi 2 miljoen euro van de European Research Council, genoeg om drie promovendi en twee postdocs aan te nemen, en ook nog eens zijn halve eigen salaris te betalen voor vijf jaar. 'Dat is al best een krappe planning, tijd om de mouwen op te stropen', zegt Giomi, onderzoeker van 'actieve' vloeistoffen.

DeCamp et al, Nat. Mater. 14, 1110 (2015)
Kolkende kinesinen (DeCamp et al, Nat. Mater. 14, 1110 (2015))

Kolkende patronen

'Actieve vloeistoffen zijn vloeistoffen gemaakt van deeltjes die zelfstandig kunnen bewegen', legt Giomi uit. Denk aan spreeuwen in een zwerm, die zelf vliegen en afstand houden van naburige spreeuwen, waaruit het hypnotiserende gedrag van de hele zwerm te verklaren valt. Of, op een veel kleinere schaal, aan bacteriën die met z’n allen naar een voedselbron toe bewegen.

'Een paar jaar geleden heb ik een theorie ontwikkeld voor actieve nematische vloeistoffen', vertelt Giomi. Nematische vloeistoffen, van het Griekse nema, draad, bestaan uit langgerekte elementen, die gemakkelijk naast elkaar komen te liggen, als kale boomstammen op een rivier. 

Een voorbeeld zijn de vloeibare kristallen van Liquid Crystal Displays (LCD's) voor computers en rekenmachines. Zoals de naam al aangeeft, zit hun gedrag ergens tussen vloeibaar en vast in. 'Als zulke elementen zichzelf voortbewegen, krijg je kolkende patronen die erg lijken op turbulentie', zegt Giomi.

Weise et al., J. Virol 84, 7634 (2010)
Niercellen (Weise et al., J. Virol 84, 763, 2010)

Slordig Honingraatpatroon

De vergelijkingen die hij daarvoor opstelde, werden succesvol getest met opnames van actieve kinesinen, een soort lopende-band-moleculen in cellen,  door onderzoekers van Brandeis University in Massachusetts. Franse onderzoekers uit Toulouse lieten hetzelfde nog eens zien met spermacellen van een ram, krioelend in een vierkant vlak. 

En in 2018 lieten Pascal Silberzan van van het Institute Curie in Parijs zien dat dezelfde, door Giomi voorspelde, kolkende patronen konden optreden bij langwerpige longcellen in een kweek. Giomi: 'Dat opende mijn ogen: ik kon eerst niet geloven dat hydrodynamica, dat eigenlijk over vloeistoffen als water gaat, ook cellen kan beschrijven.'

Het inspireerde Giomi om te kijken of dezelfde aanpak ook zou werken bij andere soorten cellen. 'De meeste cellen zijn niet langwerpig. Veel weefsels bestaan uit een mozaiek van veelhoeken, een soort slordig honingraatpatroon.

Hexatics

Al langer is bekend dat in zulke patronen een andere, zogenaamde 'hexatische' fase kan optreden, die ook ergens tussen vloeibaar en vast in zit. De elementen kunnen langs drie assen langs elkaar schuiven, maar blijven in een opeengepakt patroon gerangschikt. Naar deze hexatische fase is al veel onderzoek gedaan, met computersimulaties, experimenten, en door theoretisch natuurkundigen. Deze 'hexatische' fase lijkt op te treden bij verschillende biologische processen, bijvoorbeeld de ontwikkeling van een embryo uit een bal van een ongedifferentieerd klompje cellen, of bij wondheling. 'Daarbij zie je cellen langs elkaar 'stromen'', zegt Giomi. 

Maar daarbij gaat het steeds om evenwichtstoestanden. Het stromen van vast-vloeibare actieve hexatische stoffen is eigenlijk helemaal niet onderzocht, zegt Giomi. 'Ik besefte dat dat nog onbekend terrein is.'

En dat terrein wil Giomi, geholpen door een klein leger aan theoretisch natuurkundigen, nu in kaart gaan brengen. 'Ik heb al eerder een theorie voor actieve vloeistoffen ontwikkeld, ik hoop dat die ervaring hierbij ook van pas zal komen.' 

Li & Pica Ciamarra, Phys. Rev. Materials 2, 045602 (2018).
Fasediagram met de hexatische fase (Li & Pica Ciamarra, Phys. Rev. Materials 2, 045602 (2018))

Uitzaaiingen begrijpen

Giomi werkt samen met Thomas Schmidt, experimenteel natuurkundige aan het LION, Eric Danen van het farmacologie-instituut LACDR en weefseldynamica-expert Peter Friedl van het Radboud UMC in Nijmegen.

Uiteindelijk is de hoop dat een beter begrip van stromende actieve hexatische stoffen kan helpen om biologische processen te begrijpen, zoals bijvoorbeeld het ontstaan van uitzaaiingen van kanker.

Creppy et al., Phys. Rev. E 92, 032722 (2015).
Zaadcellen van een ram (Creppy et al., Phys. Rev. E 92, 032722 (2015))

Afsplitsende klompjes

Giomi: 'De laatste jaren is duidelijk geworden dat uitzaaiingen meestal niet veroorzaakt worden doordat enkele cellen losraken van de eerste tumor, maar dat ze zich in een soort klompjes, of druppels afsplitsen. Blijkbaar is dat efficiënter, net zoals ook zwermdieren zich in kleine groepen afsplitsen.'

Hoe zo'n klompje kankercellen losraakt van de tumor, hoe het door de cellulaire matrix en de haarvaatjes stroomt om uiteindelijk in de bloedbaan terechtkomen, is nog onbekend. 

'Dat is het laatste, en op het moment meest exploratieve deel van het voorstel', houdt Giomi een slag om de arm. 'Het ontwikkelen van medicijnen is daarbij echt een long shot. In de eerste plaats willen we het beter begrijpen.'

Bruno van Wayenburg

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie