De fysica van de thermodynamica, die kwantiteiten zoals warmte en entropie omvat, biedt goed gevestigde tools voor het bepalen hoe ver een geïdealiseerd systeem van deeltjes van evenwicht is. Maar als het gaat om leven, met zijn complexe onderling verbonden cellen, is het niet duidelijk of onze huidige reeks thermodynamische wetten voldoende is – en een reeks experimenten met menselijke cellen zou een eerste stap kunnen zijn naar het creëren van een nieuwe wetenschappelijke basis.
Thermodynamica is van cruciaal belang voor leven, omdat buiten evenwicht zijn een van de belangrijkste eigenschappen ervan is. Cellen zijn echter gevuld met moleculen die actief energie verbruiken, waardoor de toestand van een cel anders is dan bijvoorbeeld een stel knikkers die in een vloeistof drijven. Biologische cellen hebben bijvoorbeeld wat men een ‘set point’ noemt, wat betekent dat ze zich gedragen alsof ze een interne thermostaat volgen. Er is een feedbackmechanisme dat hen terugbrengt naar het set point, waardoor ze kunnen blijven functioneren. Dit soort gedrag is mogelijk niet eenvoudig te vangen met klassieke thermodynamica.
Onderzoekers Narinder en Elisabeth Fischer-Friedrich aan de Technische Universiteit van Dresden in Duitsland wilden een gedetailleerd begrip krijgen van hoe het gebrek aan evenwicht in levende systemen verschilt van de toestand van gebrek aan evenwicht in niet-levende systemen. Ze gebruikten hiervoor HeLa menselijke cellen – een lijn van kankercellen die vaak in wetenschappelijk onderzoek wordt gebruikt en zonder toestemming zijn afgenomen van een Afro-Amerikaanse vrouw genaamd Henrietta Lacks in de jaren vijftig.
Eerst gebruikten de onderzoekers chemicaliën om de cellen halverwege celdeling te stoppen, waarna ze hun buitenste membranen onderzochten met de punt van een atoomkrachtmicroscoop, die nauwkeurig kan communiceren met objecten die slechts een fractie van een nanometer breed zijn. Dit maakte het gemakkelijker om te beoordelen op welke manieren het membraan van elke cel fluctueerde – hoeveel de punt van de microscoop schokte – en hoe die fluctuaties veranderden wanneer de onderzoekers enkele van de processen van de cel verstoorden, zoals het onderbreken van de vorming van bepaalde moleculen of de beweging van bepaalde eiwitten.
Ze ontdekten dat voor deze fluctuaties een standaard thermodynamisch ‘recept’ dat het gedrag van een niet-levend systeem zou uitleggen niet langer volledig accuraat was. Specifiek bleek het idee van ‘effectieve temperatuur’ onnauwkeurig te zijn. Dit concept was bedoeld om iets vast te leggen dat lijkt op ons begrip van hoe temperatuur toeneemt wanneer we een systeem zoals een pan met water uit evenwicht brengen door het te verwarmen.
De onderzoekers concludeerden echter dat een nuttigere grootheid voor het vastleggen van de mate van het gebrek aan evenwicht in leven, een eigenschap genaamd ’tijdomkeer-asymmetrie’ is. Dit verkent de mate waarin een bepaald biologisch proces – bijvoorbeeld moleculen die herhaaldelijk in grotere moleculen samenkomen voordat ze weer splitsen – zou verschillen als het achteruit in de tijd zou verlopen in plaats van vooruit. De aanwezigheid van tijdomkeer-asymmetrie zou rechtstreeks gerelateerd kunnen zijn aan het feit dat biologische processen een doel dienen, zoals overleving en proliferatie, zegt Fischer-Friedrich.
“We weten in de biologie dat er veel processen zijn die echt afhankelijk zijn van een systeem dat uit evenwicht is, maar het is eigenlijk belangrijk om te weten hoe ver een systeem uit evenwicht is,” zegt Chase Broedersz van de Vrije Universiteit Amsterdam in Nederland. De nieuwe studie identificeert waardevolle nieuwe tools om dat vast te leggen, zegt hij.
Dit is een belangrijke stap naar een beter begrip van actieve, biologische systemen, zegt Yair Shokef van de Tel Aviv Universiteit in Israël. Hij zegt dat het feit dat het team niet alleen tijdomkeer-asymmetrie, maar ook verschillende andere maatregelen van niet-evenwicht tegelijkertijd experimenteel kon meten, zowel nieuw als nuttig is.
We moeten echter mogelijk nog veel meer stappen ondernemen als we het leven door thermodynamische principes willen begrijpen. Fischer-Friedrich zegt dat het team uiteindelijk iets wil afleiden dat lijkt op een vierde wet van de thermodynamica die alleen van toepassing is op levend materie waarbij processen een set point hebben. Ze werken al aan het identificeren van fysiologische observables – specifieke dingen om in cellen te meten – waaruit zo’n wet zou kunnen ontstaan.
