Twee Europese subsidies voor fundamenteel biochemisch onderzoek

Twee onderzoekers van de Faculty of Science and Engineering (voorheen de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen) van de RUG hebben elk een ERC Advanced Grant van 2.5 miljoen euro ontvangen. Hoogleraar Biochemie Bert Poolman zal een synthetische cel bouwen om de volumeregulering van een levende cel na te bootsen en te bestuderen; hoogleraar Moleculaire Dynamica Siewert-Jan Marrink ontwikkelt nieuwe simulatietechnieken waarmee hij de opbouw van celmembranen in detail kan bestuderen. Beide onderzoeksprojecten hebben een looptijd van vijf jaar.

Voor levende cellen is het essentieel dat ze hun volume goed kunnen regelen. Wanneer cellen uitdrogen of juist te veel vocht bevatten verandert dat de condities binnen de cel, zoals zuurgraad of de dichtheid aan grote moleculen (de crowding van de cel). Dit heeft gevolg voor tal van processen, bijvoorbeeld voor de stofwisseling.

Bert Poolman (Enzymology group, Groningen Institute Biomolecular Sciences & Biotechnology) onderzoekt al lange tijd hoe een cel dit volume precies controleert en daarbij heeft zijn onderzoeksgroep verschillende regulatiemechanismen ontdekt. Hij gaat nu een synthetische cel maken, met een celmembraan van vetzuren (lipiden) en verschillende transporteiwitten, en in de kunstmatige cel een enzymnetwerk dat langdurig ATP kan produceren. ATP is de universele brandstof voor cellen.

In dit modelsysteem wil Poolman onderzoeken hoe verschillende componenten samenwerken in een systeem dat de werking van echte cellen benadert. Dit zal nieuwe informatie opleveren over de regelmechanismen die cellen gebruiken om hun volume onder soms sterk wisselende omstandigheden constant te houden. Met die informatie hoopt Poolman in de toekomst meer complexe kunstmatige cellen te kunnen maken, die zijn in te zetten als miniatuur-fabriekjes voor de productie van nuttige stoffen.

Ook Siewert-Jan Marrink (Molecular Dynamics group, Groningen Institute Biomolecular Sciences & Biotechnology) richt zich op cellen: hij gebruikt simulatietechnieken om de interactie tussen de verschillende eiwitten en vetzuren in de celmembraan te analyseren. Klassieke biochemische analyses zijn hiervoor niet geschikt, celmembranen zijn niet homogeen maar bevatten tal van verschillende nanodomeinen die te klein zijn om apart te onderzoeken.

Daarom werken wetenschappers met simulaties die de interacties laten zien tussen de verschillende moleculaire bouwstenen (zogeheten ’computationele microscopie’). Er bestaan zeer gedetailleerde simulaties op atomaire schaal, die echter zeer veel rekentijd kosten, en minder nauwkeurige ‘grofkorrelige’ simulaties waarin groepen atomen worden gesimuleerd. Dit levert minder gedetailleerde informatie op, maar de simulatie verloopt veel sneller.

Marrink gaat een nieuwe simulatietechniek ontwikkelen die een ‘zoomfunctie’ heeft: hij kan dan naar believen in- of uitzoomen om meer details of meer snelheid te krijgen. Met deze techniek wil hij onderzoeken waarom eiwitten in de membraan zich verschillend kunnen gedragen en bijvoorbeeld gaan clusteren. Ook is het dan mogelijk te achterhalen wat de invloed is van de samenstelling van vetzuren op het functioneren van een celmembraan. Marrink en Poolman werken op onderdelen van hun onderzoek al jaren samen en zullen dit ook doen met hun ERC programma’s, om de dynamische interacties tussen lipiden en transporteiwitten in biologische membranen verder ontrafelen. ‘De combinatie van computationele en experimentele benaderingen is hiervoor enorm krachtig.’