Nature-publicatie: Beweging van één enkel transporteiwit waargenomen

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen zijn er als eersten in geslaagd de beweging van één enkel transporteiwit in een celmembraan in beeld te brengen. Hun bevindingen zijn 3 oktober 2013 gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature. Begrip van de manier waarop dit soort eiwitten beweegt tijdens het transporteren van moleculen is van belang voor onderzoek naar ziekten.

Het transporteren van moleculen door een celmembraan is cruciaal voor al het leven. De meeste moleculen kunnen alleen met behulp van een transporteiwit door het vettige celmembraan heen komen. Deze transporteiwitten, die in de celmembraan vast zitten, zijn vaak zeer gespecialiseerd. Ze binden specifieke moleculen en transporteren ze van buiten naar binnen (of omgekeerd). Zonder dit transport staat het leven in de cel stil.

Het eiwitcomplex Glt_Ph zorgt voor de opname van de voedingsstof aspartaat in micro-organismen. Glt_Ph bestaat uit drie identieke eiwitten die samen één transportcomplex vormen. ‘De vraag is hoe de onderdelen van dit complex precies bewegen wanneer dit aspartaat naar binnen haalt’, vertelt prof. dr. Antoine van Oijen, wiens onderzoeksgroep zich specialiseert in enkel-molecuul biofysica.

Activatie

Om het transportcomplex te bestuderen zijn aan twee van de drie eiwitten fluorescentie-merkers gekoppeld. De merkers zenden licht uit als ze met lasers worden beschenen. Bijzonder is dat de merkers elkaar beïnvloeden: de eerste merker zendt licht uit dat de tweede activeert. Hoe sterk die activatie is hangt af van de afstand tussen de twee merkers. Op deze manier is het mogelijk de afstand tussen de twee gemerkte eiwitten te volgen tijdens het opnemen van aspartaat.

Postdoctoraal onderzoeker dr. Guus Erkens voerde het onderzoek uit, dat technisch zeer uitdagend was. Erkens: ‘Dit soort onderzoek is niet eerder gedaan met een eiwit dat in een membraan zit. Gelukkig is er in Groningen veel ervaring in het werken met membraaneiwitten.’ Het onderzoek is dan ook in nauwe samenwerking uitgevoerd met prof. dr. Dirk Slotboom, die gespecialiseerd is in membraaneiwitten. Slotboom werkt al tien jaar met Glt_Ph en publiceerde daar zeer onlangs nog over in Nature Structural & Molecular Biology.

Erkens maakte preparaten met enkele honderden liposomen, blaasjes gemaakt van vetten die een kunstmatig membraan vormen dat sterk lijkt op een natuurlijk celmembraan. Door de concentratie van de eiwitten en de merkers laag te houden, bevatte een deel van de blaasjes slechts één Glt_Ph complex met aan slechts twee eiwitten de juiste merkers. Alleen die blaasjes waren bruikbaar voor het onderzoek.

Camera

‘We meten een paar honderd blaasjes tegelijk, en pikken de blaasjes met één juist gelabeld complex eruit. Die data analyseren we’, legt Erkens uit. Dat meten gebeurt onder een speciaal aangepaste microscoop. Lasers activeren de merkers en een gevoelige camera legt de reactie vast. Door aspartaat en een energiebron toe te voegen begint het transport.

De drie eiwitten van het transportcomplex vormen een soort kommetje in het membraan. Die kom klapt om en neemt daarbij aspartaat mee naar binnen. ‘De vraag was hoe dit gebeurt’, vertelt Van Oijen. ‘Klappen de drie subeenheden gelijk, netjes na elkaar, of op een chaotische manier om?’ De resultaten van Erkens laten zien dat er geen vast patroon in de beweging zit. De eenheden klappen willekeurig om en kunnen onafhankelijk van elkaar een aspartaat molecuul transporteren.

Het onderzoek is van belang voor medisch onderzoek omdat mensen in de hersenen een vergelijkbaar transportcomplex hebben. Dit complex verwijdert glutamaat, een signaalstof waarmee zenuwcellen onderling communiceren. ‘Wanneer dit complex niet goed werkt, heeft dat gevolgen voor de werking van de hersenen’, legt Van Oijen uit. Mogelijk speelt een defect in het glutamaat transport een rol bij ziekten als Alzheimer, ALS of Huntington.

Geneesmiddelen

‘Nu we weten hoe de transporter normaal werkt, is het mogelijk gericht te zoeken naar afwijkingen’, aldus Van Oijen. ‘En dat kan weer leiden tot het gericht ontwerpen van geneesmiddelen. Maar dat traject kan best tien tot twintig jaar duren.’

Voor Van Oijen is het onderzoek vooral een stap in een langer proces, waarbij hij individuele moleculen in een zo natuurlijk mogelijk omgeving wil bestuderen. ‘Er zijn ook groepen die Glt_Ph hebben onderzocht in een soort zeepachtig oplosmiddel. Dan kan het wel omklappen, maar er is geen transport mogelijk omdat er geen ‘binnen’ of ‘buiten’ is in de oplossing.’

De resultaten van dit soort onderzoek verschillen sterk van wat Van Oijen nu heeft gevonden. Dat is voor hem het bewijs dat hij op de goede weg is. ‘Je moet zo’n transporteiwit in de juiste omgeving onderzoeken. Pas als ze echt kunnen transporteren door een echt membraan kun je het moleculaire mechanisme gaan begrijpen.’ Van Oijen richt zich nu op eiwitcomplexen die uit verschillende componenten bestaan. ‘Uiteindelijk willen we weten hoe al die eiwitten in een echte cel werken.’

Contact

·         Prof. dr. Antoine van Oijen, tel: 050-363 9883, e-mail: a.m.van.oijen rug.nl

·         Prof. dr. Dirk Slotboom, tel.: 050-363 4187, e-mail: d.j.slotboom rug.nl

·         Dr. Guus Erkens, tel.: 050-363 8694, e-mail: g.b.erkens rug.nl

Referentie: Unsynchronised subunit motion in single trimeric sodium-coupled aspartate transporters, Guus B. Erkens, Inga Hänelt, Joris, M.H. Goudsmits, Dirk Jan Slotboom and Antoine M. van Oijen

DOI:10.1038/nature12538