- Onderzoek
- 05/04/2018
CryoTEM TU/e onthult kristallisatie eiwitten
Ook al is het kristalliseren van eiwitten een bewezen techniek voor het bepalen van hun structuur of het produceren van medicijnen, hóe die kristallisatie precies gebeurt, was tot op heden een mysterie. Maar onderzoekers van de TU/e, de Vrije Universiteit Brussel, en de Université Grenobles Alpes, onthullen nu voor het eerst in moleculair detail hoe een eiwit omvormt tot kristal. Bovendien waren ze in staat om met de hiervoor gebruikte Eindhovense cryoTEM-microscoop het proces zodanig te sturen dat het gewenste kristal ontstaat. Dit moet de opheldering van 3D-eiwitstructuren en ontwikkeling van medicijnen significant kunnen versnellen. Hun resultaten verschijnen deze week in het tijdschrift Nature.
Eiwitkristallen hebben een grote medische en wetenschappelijke relevantie. Tientallen jaren zijn ze van groot belang geweest voor structuurbiologen, die met behulp van röntgendiffractie de driedimensionale structuur van eiwitten ophelderden. Daarnaast worden eiwitkristallen ook gebruikt als bio-farmaceutische toediening. Misschien wel het meest bekende voorbeeld is insuline: een insulineshot omvat een onderhuidse injectie van microkristallen insuline die langzaam oplossen, om zo een geleidelijke en langdurige afgifte te bewerkstelligen.
Mysterie
Ondanks de enorme potentie zijn er twee beperkingen in het gebruik van eiwitkristallen. Allereerst is het groeien van eiwitkristallen bijzonder moeilijk, zoals veel moleculair biologen zullen beamen. Elk kristal begint als kern, een klein kristalzaadje, dat uit de spontane clustering van een paar moleculen in de oplossing ontstaat. Die paar moleculen moeten op een specifieke manier in drie dimensies ten opzichte van elkaar georiënteerd zijn. Hoe de moleculen deze onwaarschijnlijke uitlijning ten opzichte van elkaar bewerkstelligen bleef tot op heden een mysterie.
Polymorf
De tweede beperkende factor van eiwitkristallen zijn de verschillende vormen waarin ze kunnen kristalliseren, iets dat in de wetenschap bekend staat als ‘polymorfisme’. Ieder ‘kristalpolymorf’ heeft zijn eigen unieke eigenschappen, zoals hoe het röntgenstralen verstrooid (van belang voor het ophelderen van de driedimensionale structuur) of de snelheid waarmee ze oplossen (van belang voor medicijntoediening). Tot op heden is het erg moeilijk om het kristallisatieproces te sturen tot de gewenste polymorf, omdat niemand weet hoe het mechanisme daarachter precies werkt.
Nobelprijs
De groep wetenschappers die nu samen in Nature publiceert, gebruikte hypermoderne cryo-transmissie elektronenmicroscopie (cryoTEM) van de TU/e om het ontstaan van eiwitkristalkernen in moleculaire resolutie te bekijken. Universitair docent Heiner Friedrich: “Omdat het proces zich zo snel voltrekt, op zo’n kleine lengteschaal, moesten we het eiwit in verschillende stadia van het proces bevriezen. Vervolgens visualiseerden we met een hele gevoelige elektronenmicroscoop hoe ze zich groeperen tot een kristalkern en uiteindelijk het eiwitkristal vormen.” Volgens Friedrich onderstreept dit werk de potentie van de technologie waarvoor vorig jaar de Nobelprijs voor de Scheikunde is toegekend.
Zelfassemblage
Door cryoTEM-afbeeldingen te analyseren op gezette tijden van het kristallisatieproces konden ze de moleculaire botsingen reconstrueren die de basis zijn voor het vormen van een kristalkern. Volgens Mike Sleutel, leider van het onderzoek en werkzaam aan de Vrije Universiteit Brussel, bleek het proces veel ingewikkelder dan de theorieën die rondgingen. “Voor het eiwit dat we in onze studie hebben gebruikt, ontdekten we dat drie opeenvolgende stadia van zelfassemblage op steeds grotere lengteschalen plaatsvinden. Deze observaties zijn de eerste in hun soort en bieden een geheel nieuwe manier om naar het zelfassemblageproces van macromoleculen tot grotere structuren te kijken.”
Het team ging nog een stapje verder en was zelfs in staat om het polymorfproces te sturen door de verschillende interactietoestanden die tussen moleculen bestaan voorzichtig bij te schaven. “We weten nu waar we op moeten letten bij cryoTEM-experimenten,” aldus Friedrich. “In plaats van maar wat te proberen, is het mogelijk om het kristallisatieproces te leiden tot de polymorf met de juiste eigenschappen voor kristalstructuuropheldering en de ontwikkeling van nieuwe medische toepassingen.”
Foto boven | Bart van Overbeeke
Discussie