Revolutie in membraantransport

Ook cellen moeten eten. Maar hoe komen voedingsstoffen door de celmembraan heen naar binnen? RUG-onderzoekers zijn er als eersten in geslaagd het mechanisme te beschrijven waarmee bacteriën bepaalde vitamines opnemen. En daarbij laten ze zien dat de leerboeken niet kloppen. De resultaten zijn op 30 maart gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

‘Dit is het resultaat van acht jaar werk. Het is echt spectaculair’, zegt Dirk Slotboom, hoogleraar biochemie aan de RUG en leider van het onderzoeksteam. Hij kan nu precies laten zien hoe het bacteriële ‘Energy Coupling Factor’ (ECF) transportsysteem werkt. Daarmee is een debat dat al decennia woedt beslecht en het kan leiden tot nieuwe antibiotica.

Het ECF transportsysteem kan een heleboel verschillende stoffen (substraten) door de celmembraan brengen. De min of meer universele ECF component werkt samen met een substraat-specifieke S component. Het systeem wordt aangedreven door de universele energiedrager van de cel, ATP. ‘De S component bindt het substraat en verplaatst zich vervolgens door de membraan’, legt Slotboom uit.

Een van de meest opvallende observaties is de manier waarop de S component in de membraan zit. ‘De leerboeken tonen een standaardplaatje van een eiwit in de membraan’, vertelt Slotboom. De eiwitten bestaan uit hydrofobe (waterafstotende) alfa-helixen die door de membraan steken en hydrofiele (waterminnende) delen die zich buiten de vettige membraan bevinden en de alfa-helixen verbinden. Iedereen nam aan dat eiwitten op die manier vastzaten in de celmembraan. ‘Maar wij zagen dat de S component ook horizontaal in de membraan kan liggen.’

De groep van Slotboom ontdekte dat de S component draait en wiebelt in de membraan. ‘Dit soort membraaneiwitten blijkt tegen de verwachting in spectaculaire acrobatische toeren uit te kunnen halen.’ En wat belangrijk is, die bewegingen vinden plaats zonder dat er extra energie voor nodig is. ‘Het is een pure Brownse beweging’, legt Slotboom uit, een willekeurige beweging veroorzaakt door de botsing van moleculen.

Maar hoe kan zo’n ongerichte beweging heel gericht voedingsstoffen naar binnen transporteren? Daarin speelt de ECF component een cruciale rol. ‘Dit eiwitcomplex bevindt zich aan de binnenkant van de membraan. Wanneer een S component met substraat in contact komt met de ECF component ontstaat er een onomkeerbare binding.’ Die bindingsstap zorgt er verder voor dat de S component het substraat loslaat in de cel. Maar om ook de S component weer los te krijgen van het ECF deel is energie nodig: daar verbruikt het systeem ATP.

‘Het interessante hieraan is dat de energie van het ATP niet nodig is voor het transport, maar om S en ECF van elkaar te scheiden. Het proces verloop eerst via willekeurige Brownse beweging en de ECF component dient als een ratel die zorgt dat de gebonden voedingsstof aan de binnenkant van de cel wordt afgegeven.’ Hiermee is een debat beslecht dat wetenschappers al decennia bezighoudt: is de verplaatsing van een eiwit met substraat door de membraan het gevolg van een energie vragende slag, zoals bij een zuiger in een automotor, of komt het door een zogeheten ‘Brownse ratel’. ‘Wij laten zien dat het in dit geval inderdaad een ratel is, wat een nieuw fundamenteel inzicht oplevert over de werking van moleculaire motoren in de cel.’

Het onderzoeksteam heeft de hele transportcyclus bij elkaar gepuzzeld door de eiwitstructuur van de componenten tijdens verschillende fasen van het transport op te helderen. ‘Helaas waren concurrenten ons daarbij drie keer net voor: de structuur van de S component, het ECF deel en de gebonden combinatie van S en ECF zijn door andere groepen als eerste gepubliceerd’, zegt Slotboom. ‘Maar die drie studies zijn gedaan met verschillende substraten en geen van de groepen heeft het hele transportproces beschreven. Wij hebben steeds gekeken naar de structuur van hetzelfde folaat-specifieke transportsysteem, zodat we nu precies weten hoe dat werkt.’

Het is bepaald niet gemakkelijk om de structuur van een eiwit te bepalen, vooral niet wanneer het in een membraan zit. ‘De klassieke manier is om kristallen van het eiwit te laten groeien, die je dan met röntgen diffractie onderzoekt. Maar de afgelopen jaren is een nieuwe techniek opgekomen, waarbij je de structuur direct waarneemt met een zeer gevoelige elektronenmicroscoop. Dat heeft het vakgebied een enorme impuls gegeven.’ Slotboom is nu bezig om via ‘single molecule’ microscopie, waarbij moleculen zijn gemerkt met een lichtgevend label, de dynamiek van het transportsysteem in beeld te brengen. ‘En we zijn bezig om met computersimulaties de structuur van het systeem te bestuderen, dat gebeurt samen met mijn collega Siewert-Jan Marrink.’

Ook is Slotboom op zoek naar manieren op met transport te blokkeren. Het ECF systeem is alleen aanwezig in bacteriën, dus niet in zoogdiercellen. Het is daarmee een ideale kandidaat voor de ontwikkeling van antibiotica. ‘Samen met RUG-chemicus Anna Hirsch zoeken we naar kleine moleculen die de verplaatsing door de membraan verhinderen, bijvoorbeeld door te voorkomen dat de S component zich bindt aan het ECF deel.’ Nu ze het mechanisme goed begrijpen, weten Slotboom en zijn collega’s ook hoe ze het kunnen blokkeren.

Referentie: Lotteke J.Y.M. Swier, Albert Guskov & Dirk J. Slotboom: Structural insight in the toppling mechanism of an energy-coupling factor transporter. Natue Communications, 30 Maart, DOI 10.1038/NCOMMS11072