Werking ‘Pac-man’ transporter opgehelderd

Officieel heet het de ‘ATP-bindende cassette (ABC) transporter’, maar je kunt ‘m ook Pac-man noemen. Dit eiwit hapt voedingsstoffen en andere belangrijke verbindingen op uit het milieu rond een cel en transporteert het naar binnen, dwars door de celmembraan. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen kunnen nu laten zien hoe deze Pac-man werkt. Hun resultaten verschenen op 8 december in Nature Structural & Molecular Biology.

ABC transporters komen voor in zo’n beetje alle soorten van leven en kunnen talloze verschillende vormen aannemen. Zo’n transporter is een modulair systeem, met aan de buitenkant van de cel een domein dat specifieke stoffen (zoals nutriënten) ophapt als een Pac-man. Verder is er een domein dat door de membraan heen steekt en zorgt voor transport naar binnen en een derde domein binnenin de cel waar de motor zit die het hele systeem doet draaien.

‘We willen weten hoe dit allemaal exact werkt’, zegt hoogleraar biochemie Bert Poolman. En daarvoor moet hij naar afzonderlijke transporteiwitten kijken. ‘Tot nu toe is het meeste onderzoek gedaan met grote aantallen eiwitten tegelijk, er zitten dan wel een biljard (10¹⁵) individuele transporteiwitten in je monster.’ Daardoor is het alleen mogelijk naar een gemiddeld gedrag te kijken. ‘Denk je eens in dat je vanuit een helikopter naar de marathon van Amsterdam kijkt. Dan kan je de gemiddelde snelheid van de deelnemers meten, maar je hebt geen idee hoe een individuele loper presteert.’

Om de verschillende stappen in het transport proces (het vangen van een substraat, transport door de membraan en het afleveren binnen in de cel) te ontrafelen is het nodig naar individuele moleculen te kijken. ‘Want in de bulksamples middel je de belangrijke stappen uit’, aldus Poolman.

Aan de buitenkant van de cel zit het Pac-man domein van de ABC transporter, dat een specifiek substraat ophapt. ‘Er zijn twee ideeën over hoe dat in zijn werk gaat’, legt Poolman uit. Het eerste idee, conformatie-selectie, gaat er vanuit dat de Pac-man voortdurend hapt, net als in het computerspel, en dat de bek dicht blijft wanneer het juiste substraat er in zit. Het tweede idee, induced fit, zegt dat de bek van Pac-man open blijft totdat het juiste substraat er in komt, om dan dicht te klappen.

De techniek waarmee de Groningse onderzoekers dit vraagstuk te lijf gingen heet single-molecule FRET. De twee ‘kaken’ van het Pac-man domein zijn gelabeld met twee verschillende fluorescerende merkstoffen. De eerste wordt via een laser aangeslagen en zendt groen licht uit. Dit groene licht slaat de tweede merkstof aan, die daardoor rood licht uitzendt. ‘Het mooie is dat de hoeveelheid rood licht die dit oplevert recht evenredig is met de afstand tussen beide merkers.’

Met andere woorden: als de bek open staat en de afstand tussen beide merkers dus het grootst is, zie je weinig rood licht. Maar als de bek dicht zit waardoor de merkers dichter op elkaar zitten, zie je meer rood licht. ‘Met deze techniek konden we zichtbaar maken dat de Pac-man bek open blijft staan totdat er een substraat in terecht komt.’ Dus de induced-fit hypothese is juist.

Maar dat was niet de enige observatie. ‘We zagen ook dat af en toe een bek dichtklapte zonder dat er substraat in zat. In dat geval raakte de transporter een tijdje geblokkeerd. Dit zorgt er voor dat wanneer de samenstelling of de concentratie van het substraat niet optimaal is, de transporters een flink deel van de tijd niet werken.’

Verder bleek dat naar mate een substraat sterker bond aan de Pac-man bek het transport naar binnen toe langzamer verliep. ‘Een sterke binding betekent dat het moeilijk is het substraat binnen in de cel los te krijgen. Die binding moet dus nauwkeurig afgesteld zijn, want als deze te zwak is krijg je aan de buitenkant niet genoeg substraat te pakken.’

Wat kunnen we nu met al deze informatie? ‘Sommige ABC transporters zijn van vitaal belang voor ziekteverwekkers. Wanneer we de dynamiek van het transport goed begrijpen zouden we dat in principe kunnen verstoren.’ Eén optie is bijvoorbeeld om kleine moleculen te ontwerpen die het transportsysteem blokkeren, en de nieuwe publicatie legt de basis voor dit soort toepassingen. ‘Ons fundamentele onderzoek heeft een gedetailleerd model opgeleverd van het transport proces, maar er is nog zeker meer onderzoek nodig.’

Wat er nu al bereikt is was overigens geen geringe prestatie. Er waren niet minder dan acht wetenschappers van twee RUG-onderzoeksinstituten bij betrokken, niet alleen specialisten in het visualiseren van afzonderlijke moleculen van het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM), maar ook biochemici van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB).

‘Het artikel heeft dan ook drie eerste auteurs, die allemaal even veel hebben bijgedragen aan het onderzoek. Het duurde bijvoorbeeld twee jaar voordat we de microscopische technieken voldoende hadden verfijnd om deze resultaten te kunnen krijgen’, leggen Poolman en zijn collega uit de biofysica Thorben Cordes uit. En, voegen ze er aan toe, ‘onze metingen aan enkele moleculen behoren tot de beste die er ooit zijn verricht aan membraan eiwitten. We hebben dan ook veel reacties gekregen van onze collega’s.’

Reference: Giorgos Gouridis, Gea K Schuurman-Wolters, Evelyn Ploetz, Florence Husada, Ruslan Vietrov, Marijn de Boer, Thorben Cordes & Bert Poolman: Conformational dynamics in substrate-binding domains influence transport in the ABC importer GlnPQ (DOI: 10.1038/nsmb.2929)

Department of Biochemistry, Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, University of Groningen, Groningen, the Netherlands.

Molecular Microscopy Research Group, Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Groningen, the Netherlands.