De natuurkunde van biologische machines

Iedere levende cel zit tjokvol kleine moleculaire machines. Die machines kopiëren DNA, maken nieuwe eiwitten, zorgen voor transport en laten alles in de cel op rolletjes lopen. Maar hoe doen ze dit? Dat gaat Antoine van Oijen, een ‘single-molecule’ biofysicus aan de RUG, uitzoeken. Samen met collega’s van de universiteiten van Delft, Leiden en Amsterdam heeft hij hiervoor 2,4 miljoen euro gekregen van FOM, de stichting voor fundamenteel onderzoek van de materie.

‘De klassieke manier om de machines van de cel te bestuderen is in een zeer vereenvoudigde omgeving’, legt Van Oijen uit. ‘Biochemici kijken vooral naar enzymen in een verdunde oplossing van zouten, maar dat lijkt niet op de condities die je in een echte cel aantreft.’ Cellen zitten namelijk helemaal volgepakt met eiwitten, DNA en andere kleine en grote moleculen. ‘En dat heeft invloed op het functioneren van bijvoorbeeld enzymen.’

Van Oijen is natuurkundige, maar heeft de afgelopen tien jaar vooral de machinerie van levende cellen bestudeerd. Dat deed hij eerst aan de Amerikaanse Harvard University, en sinds een jaar of drie in Groningen. ‘Toen ik hiermee begon wist ik natuurlijk niet zo veel van biologie, maar ik heb dat inmiddels flink bijgespijkerd.’ De boeken over biologie en biochemie op de planken in zijn werkkamer getuigen hier van. Maar wat nog belangrijker is: hij past zijn eigen, natuurkundige perspectief toe op levende organismen.

Van Oijen bestudeert biologische processen op het niveau van losse moleculen op twee manieren: in kunstmatige systemen en in levende cellen. ‘We kunnen een enkel molecuul labellen met een fluorescerende kleurstof. Die kleurstof zendt licht uit als deze met een laser wordt aangeslagen. Met een speciale microscoop kunnen we dit licht opvangen zodat we weten waar het gelabelde molecuul zich bevindt.’

Als illustratie beschrijft Van Oijen dat hij voor experimenten bijvoorbeeld een enkel DNA molecuul vastmaakt aan een glaasje. Door er vloeistof overheen te laten stromen, strekt hij het molecuul. ‘Dan voegen we een gelabeld eiwitcomplex toe, dat het DNA kan kopiëren. Onder de microscoop kunnen we vervolgens dit complex volgen terwijl het zich over het DNA molecuul verplaatst.’

In andere experimenten stopt hij gelabelde moleculen terug in een levende cel. Ook dan kan hij onder de microscoop volgen waar het zich in die cel bevindt. En wanneer hij verschillende moleculen met verschillende kleuren labelt kan Van Oijen ze allemaal tegelijk volgen. ‘Dan kan je bijvoorbeeld zien of ze elkaar opzoeken, ergens in de cel.’

Beide soorten experimenten leveren een heleboel nieuwe kennis op. ‘Maar er zit een erg groot gat tussen het kunstmatige systeem en de levende cel.’ Kunstmatige systemen leveren veel informatie op over de interactie tussen moleculen maar, je raadt het al, alleen onder kunstmatige omstandigheden. En in de levende cellen kan je veel minder specifieke informatie verzamelen over de interacties die de gelabelde moleculen aan gaan. ‘Dus willen wij met ons nieuwe project dit gat gaan dichten.’

Eén manier om dit te doen is door de kunstmatige systemen ‘drukker’ te maken. ‘We kunnen grote moleculen toevoegen, zoals polyethyleen glycol, om de situatie in echte cellen meer te benaderen.’ Die grote moleculen vertragen bijvoorbeeld de snelheid waarmee stoffen zich via diffusie verplaatsen. En door verschillende eiwitcomplexen bij een streng DNA te stoppen kan je ook extra informatie verkrijgen: ‘In cellen kunnen verschillende complexen tegelijkertijd actief zijn op één DNA molecuul en die complexen kunnen dus letterlijk op elkaar botsen. En we weten nog niet hoe dat hun werking beïnvloedt.’

Het onderzoek is in acht deelprojecten ondergebracht, die door acht verschillende groepen worden uitgevoerd. ‘Er zijn heel wat single-molecule groepen in Nederland, dat is de vrucht van een subsidieprogramma voor ‘biologische fysica’ dat onderzoekfinancier FOM in de jaren 1990 had. Ik durf zelfs te zeggen dat in dit consortium van ons een aantal van de belangrijkste onderzoeksgroepen ter wereld op het terrein van de fysica van DNA replicatie zitten.’

Het totale project omvat elf promotieplaatsen, waarvan twee in het lab van Van Oijen. ‘Alle benodigde apparatuur hebben we al, dus we hadden voor dit project alleen jonge wetenschappers nodig om het werk te doen.’ Hij laat de tien fluorescentiemicroscopen zien die zijn groep bezit, ondergebracht in kleine kamertjes. ‘Je komt er alleen in met een sleutelkaart, vanwege het gevaar van de lasers die we gebruiken.’ Laserlicht gaat via een serie lenzen en spiegels naar de microscopen. ‘En die zijn weer uitgerust met zeer gevoelige CCD camera’s die zelfs afzonderlijke fotonen kunnen detecteren.’

Het werk dat de acht groepen de komende vijf jaar doen moet een realistischer beeld opleveren van de werking van biologische moleculen. ‘Met deze microscopen hebben we nu de technische mogelijkheden om cruciale experimenten te doen. Maar er zitten ook theoretici in het consortium, die modellen moeten ontwikkelen waarmee de experimentele resultaten zijn te verklaren en die ons vertellen wat er precies gebeurt in een cel.’

De tijd is rijp om van onderzoek met losse moleculen door te stomen naar het bestuderen van de interactie tussen moleculen onder realistische omstandigheden. ‘De werking van enzymen zal ongetwijfeld anders zijn in een realistische omgeving dan in de gebufferde zoutoplossingen die biochemici tot nu toe altijd gebruiken om ze te bestuderen.’

En dan is er nog iets: ‘Ons idee van de cellulaire machines in een cel is erg statisch.’ Alsof de cel een fabriek is, waar de machines netjes staan opgesteld langs transportroutes. ‘Terwijl machines in de cel juist heel dynamisch zijn. Ze wisselen voortdurend onderdelen uit, alsof je tijdens het rijden een set nieuwe banden krijgt. Alle eiwitten en andere moleculen in een cel zijn voortdurend met elkaar in interactie. Wij hopen die dynamiek ook zichtbaar te maken.’

Antoine van Oijen leidt het onderzoeksproject waaraan acht verschillende groepen mee doen. Hij is verantwoordelijk voor de integratie van alle sub projecten. In de afgelopen twee jaar heeft Van Oijen al twee prestigieuze persoonlijke onderzoeksubsidies ontvangen: een VICI beurs van onderzoekfinancier NWO en een Starting Grant van de European Research Council.

De acht groepsleiders van dit p roject zijn: Antoine van Oijen (RUG), Nynke Dekker (TUD), Gijs Wuite (VU), John van Noort (UL), Remus Dame (UL), Tom Shimizu (AMOLF), Christophe Danelon (TUD) and Martin Depken (TUD)