De loopbaankeuzes van cellen
Hoe beslist een embryonale stamcel of het een hart- of een niercel wordt? Dat is de vraag die rekenkundig biologe Maria Mircea bestudeerde voor haar promotieonderzoek. Ze keek naar de binnenkant van individuele cellen om te analyseren hoe ze veranderen. Dit is wat ze ontdekte.
'Een cel begint net als een kind dat alles kan worden wat het wil', zegt Mircea. 'Door studie- en loopbaankeuzes vernauwen de opties zich uiteindelijk tot een gespecialiseerde werknemer. Dit pad heet een traject.'
Eiwitten als werknemers in een cel
Het zijn de eiwitten in een cel die vertakkingen in dit traject beïnvloeden. 'Eiwitten zijn als de werknemers in een bedrijf. Ieder heeft een andere taak. De binnenkant van een embryonale cel is als een start-up: veel veranderingen aan de structuur en werknemers zijn nodig totdat het een gevestigde onderneming wordt.' Het meten van elk afzonderlijk eiwit zou de ultieme manier zijn om te begrijpen hoe een cel verandert, maar dat is nog niet mogelijk. In plaats daarvan keek Mircea naar een andere component: ribonucleïnezuur, of RNA.
'De binnenkant van een embryonale cel is als een start-up bedrijf'
Ze legt uit: 'Het DNA bevat genen die de instructies meedragen om eiwitten te maken. Deze in het DNA opgeslagen informatie wordt doorgegeven aan het RNA. RNA lijkt op DNA, maar dan met een enkele spiraal in plaats van een dubbele. Het RNA wordt vervolgens door de cel uitgelezen om de eiwitten te bouwen. 'Daarom kan het bestuderen van het RNA ook gebruikt worden om de veranderingen in een cel te analyseren.' Mircea ontwikkelde een computationele methode om celtypes te identificeren aan de hand van alle RNA-gegevens van een individuele cel. 'Dit is een grote verbetering ten opzichte van eerdere methoden die alleen keken naar hoe een cel eruit ziet of gebruik maakten van een kleine set eiwitten.'
Menselijke cellen gebruiken om geneesmiddelen te testen
Deze informatie over celspecialisatie is nuttig bij het maken van zogenaamde organoïden. Dit is een mix van in het lab gekweekte cellen die samen een echt orgaan nabootsen. In samenwerking met het LUMC bestudeerde Mircea organoïde modellen van het hart. Het maken van realistische organoïden heeft een duidelijk voordeel: ‘Ze kunnen heel nuttig zijn om geneesmiddelen te testen zonder een mens te storen of op dieren te testen.’
Ze voegt eraan toe dat dit onderzoek in de toekomst ook gebruikt kan worden voor gepersonaliseerde geneeskunde: ‘Je kunt bijvoorbeeld huidcellen van een patiënt nemen en die omzetten in een cel met een stamcelachtig karakter. Vervolgens kun je er elk celtype van maken. Deze cellen zouden kunnen worden gebruikt om te testen hoe de patiënt op bepaalde medicijnen zou reageren. Maar zover zijn we nog niet.’
Neurale netwerken
Als een van de weinige theoretici in een experimentele groep wilde Mircea ook wiskundige modellen ontwikkelen om te beschrijven hoe stamcellen zich ontwikkelen. Ze verduidelijkt: 'Ik wilde de rekenkracht van neurale netwerken combineren met mechanistische modellen die de biofysische principes van veranderingen die in cellen optreden beschrijven. Je hebt dan een diep neuraal netwerk dat geïnformeerd is door natuurkunde en dat helpt ons om interacties tussen genen tijdens de celontwikkeling te begrijpen.'
Maar het aspect waar ze het meest van genoot tijdens haar promotie? 'De interacties met biologen! Als wiskundige vond ik het erg leuk om direct met biologen samen te werken om te leren over stamcellen en het lab.'
Mircea verdedigt haar proefschrift getiteld Unravelling cell fate decisions through single cell methods and mathematical models op 20 december.