Grote dataset beschrijft rol eiwitten in bacterie

RUG-onderzoekers hebben samen met collega’s uit Zwitserland een grootschalige kwantitatieve en kwalitatieve analyse gemaakt van de eiwitten die de bacterie Escherichia coli maakt onder 22 verschillende condities. Zij identificeerden meer dan 2300 eiwitten, van sommige vonden ze niet meer dan gemiddeld één exemplaar per cel. Uiteindelijk is het grootste deel (ruim 90 procent) van de eiwitmassa in de cel beschreven. De resultaten zijn een goudmijn voor onderzoekers. Een eerste beschrijving van de resultaten is op 7 december gepubliceerd in het tijdschrift Nature Biotechnology.

Wat is precies de relatie tussen de genen in een cel en de fysiologie ervan? Om daar achter te komen is het belangrijk te zien welke genen onder welke omstandigheden actief zijn en zorgen voor de productie van eiwit. De meest directe manier om dit te onderzoeken is te meten hoeveel van welk eiwit er in de cellen zit.

Dankzij technische ontwikkelingen is het sinds kort mogelijk om op grote schaal eiwitten te meten en te karakteriseren. Wetenschappers van de universiteit van Basel en de RUG hebben de handen ineen geslagen om een analyse te maken van de eiwitten die onder 22 verschillende groeicondities aanwezig zijn in de bacterie E. coli. Zij gebruikten massaspectrometrie om te meten welke eiwitten aanwezig waren, en de concentratie per cel te bepalen.

Het resultaat van al dit werk is een zeer grote dataset die nog veel nieuw onderzoek zal inspireren, zegt Matthias Heinemann, hoogleraar Systems Biology aan de RUG. Hij coördineerde het experiment samen met Alexander Schmidt uit Basel. ‘We zijn er in geslaagd om 90 procent van de eiwitmassa te analyseren’, vertelt Heinemann. ‘We vonden ruim 2300 verschillende eiwitten, die meer dan de helft van de 4300 genen van de bacterie vertegenwoordigen.’ Dit verdubbelt het aantal eiwitten waarvan nu de absolute concentratie in de cel bekend is. Van een aantal van deze eiwitten kennen we de functie nog niet. ‘Door te kijken naar het patroon dat ontstaat wanneer je een eiwit volgt tijdens de 22 verschillende condities krijg je wel een idee wat die functie zou kunnen zijn.’

De eiwitten kunnen in verschillende aantallen voorkomen, variërend van meer dan 100.000 kopieën per cel tot twee, één of gemiddeld minder dan één per cel. ‘Dit toont aan hoe gevoelig onze techniek is. Maar je gaat je ook afvragen wat de functie is van eiwitten die in zeer kleine aantallen aanwezig zijn.’ Hoewel sommige genen een beetje actief kunnen zijn door toevalsprocessen sluit Heinemann niet uit dat een eiwit waarvan maar een exemplaar per cel aanwezig is daarin ook echt een rol speelt. ‘Er zijn ten slotte biologische bouwstenen waarvan maar één exemplaar aanwezig is en die toch een belangrijke rol hebben, zoals genen.’ Verder liet het onderzoek ook een aantal nieuwe aanpassingen zien waarmee eiwitten na hun productie worden toegerust in een bacteriecel.

De dataset die nu in Nature Biotechnology is beschreven wordt al gebruikt door andere onderzoekers, en leidt al tot nieuwe inzichten en ideeën. ‘Onze gegevens vormen een referentie voor nieuw onderzoek en heeft al geleid tot een aantal nieuwe studies. Door deze dataset kunnen wetenschapper nieuwe vragen stellen en beantwoorden.’

Voor het onderzoek zijn de bacteriën in Groningen gekweekt onder verschillende omstandigheden. Daarna zijn monsters naar Basel verzonden, waar de eiwitten (inclusief membraaneiwitten) zijn geïsoleerd en onderzocht met massaspectrometrie. Ten slotte zijn de resultaten door het hele team geanalyseerd.

Referentie: The quantitative and condition-dependent Escherichia coli proteome. Alexander Schmidt¹, Karl Kochanowski², Silke Vedelaar³, Erik Ahrné1, Benjamin Volkmer², Luciano Callipo², Kèvin Knoops⁴, Manuel Bauer¹, Ruedi Aebersold^2,5 & Matthias Heinemann^2,3
1 Biozentrum, University of Basel, Basel, Switzerland.
2 Institute of Molecular Systems Biology, ETH Zurich, Zurich, Switzerland.
3 Molecular Systems Biology, Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, University of Groningen, Groningen, the Netherlands.
4 Molecular Cell Biology, Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, University of Groningen, Groningen, the Netherlands.
5 Faculty of Science, University of Zurich, Zurich, Switzerland.

DOI: 10.1038/nbt.3418

Tekst: Science LinX