Op zoek naar de basis van het leven

Egbert Boekema heeft – na een toevallige start – bijna zijn hele wetenschappelijke carrière hoofdzakelijk gewerkt aan één probleem: het oplossen van de structuur van de eiwitten die zorgen voor fotosynthese. ‘Het fotosynthese systeem werkt al miljarden jaren en vormt de basis van het leven op aarde.’ Op 27 september neemt hij afscheid, twee weken later is zijn laatste werkdag.

In een gang van de Linnaeusborg staat nog een oude, klassieke elektronenmicroscoop. We lopen er langs op weg naar de nieuwste uitvoering van dit apparaat dat al zo lang de wetenschap dient. Gemaakt door ons eigen Philips. ‘De productie is lang geleden bij een apart bedrijf ondergebracht. Die maakt nog steeds elektronenmicroscopen, ze gaan nu vooral naar China. Daar staan tientallen van het modernste type. In Nederland zijn staan er twee van in Leiden, een in Maastricht en nu ook een hier in Groningen.’

Die staat in een speciaal trillingsvrij deel van het gebouw. Een meer dan manshoge kubus met controlepaneel, de techniek is netjes afgedekt met panelen. Om alles zo constant mogelijk te houden en het fabrieksgeheim een beetje af te schermen. Met dit soort apparaten is het mogelijk om de structuur van eiwitten in zeer fijn detail te bestuderen. ‘De afgelopen vijf jaar is dit in een stroomversnelling geraakt, dankzij spectaculaire verbeteringen in de techniek’, legt Boekema uit.

Zijn collega Gert Oostergetel laat ons even onder de panelen kijken. Hij is verantwoordelijk voor het afstellen en uitlijnen van de nieuwe microscoop. Het is belangrijk goed te weten hoe zo’n geavanceerd apparaat werkt. Oostergetel wijst de buis aan waar de elektronenstraal uit komt, de magnetische lenzen. ‘Er kunnen twaalf preparaten tegelijk in het apparaat, die je dan van afstand kunt bestuderen’, legt hij uit. De machine kost ongeveer drie miljoen euro – niet het duurste model, waar wel goed genoeg om internationaal mee te doen. De aanschaf was mogelijk dankzij het faculteitsbestuur. Boekema: ‘Hiermee laat de faculteit ook zien dat ze dit onderzoek belangrijk vindt.’

Groen spul

Boekema begon zijn carrière met heel andere apparatuur. Daarmee wist hij een aantal baanbrekende ontdekkingen te doen. Zijn object van studie zijn de grote eiwitcomplexen die zorgen voor het omzetten van zonlicht in een stabiele vorm van energie, fotosysteem I en II (afgekort tot PSI en PSII). Die belangstelling ontstond door toeval. Als postdoc werkte Boekema in Berlijn aan de structuur van een enzym dat betrokken is bij de stofwisseling, het ATPase. ‘Er was daar nog een Nederlandse postdoc. Die had wat groen spul waar ik eens naar moest kijken.’

Dat spul was PSI en Boekema ontdekte dat dit complex bestond uit drie identieke eiwitten die een ‘trimeer’ vormen. De plaatjes die hij laat zien lijken wat op het Mercedes logo. ‘Later ontdekte ik dat er nog een ring van ‘antennes’ om die trimeer zit, die fotonen opvangen en naar het complex toe leiden. En er bleek zelfs een tweede ring van antennes aanwezig te zijn.’

Boekema publiceerde recent een hoge-resolutie structuur van PSII, een van de doorbraken die hem de meeste voldoening geven. ‘Dat ik de basis heb gelegd door als eerste de trimeerstructuur te beschrijven is ook mooi, net als het ontdekken van de antenne-ringen. En de naamgeving van de grote complexen in het fotosynthese systeem die ik deels met mijn Amsterdamse collega Jan Dekker heb ontwikkeld is wereldwijd overgenomen.’

Fotonen

Het bestuderen van eiwitstructuren met een elektronenmicroscoop was een langdurig proces, dat vooral is toegepast op zeer grote eiwitten. Boekema: ‘Het kon jaren duren voordat je een goed preparaat van je eiwit had.’ De klassieke elektronenmicroscopen werken ruwweg net als een gewone lichtmicroscoop. Alleen is de ‘lichtbron’ een straal elektronen. Die hebben een kortere golflengte dan zichtbaar licht waardoor ze kleinere objecten in beeld kunnen brengen. Detectoren vingen de elektronen op nadat ze door het eiwit waren gevlogen en zo ontstond een afbeelding.

‘De detectoren waren tot enkele jaren geleden nog CCD’s, die alleen fotonen kunnen tellen. Maar die waren niet heel efficiënt, er gingen veel informatie van de in licht omgezette elektronen verloren.’ Nieuwe typen detectoren kunnen ieder elektron vangen en leveren daardoor veel meer details op. De ‘belichtingstijd’ voor een opname is korter, zodat de moderne microscopen enkele beelden per seconde maken – meer een filmpje dan een serie foto’s.

‘Het voordeel hiervan is dat je een serie beelden kunt middelen. Kleine trillingen in het monster kun je zo kwijtraken.’ Details tot ongeveer 3 ångström, oftewel 0,3 nanometer, zijn nu zichtbaar. ‘Daarmee kun je de aminozuren zien waaruit een eiwit is opgebouwd.’ Boekema heeft de structuur van PSII tot 4 ångström weten op te lossen. Daarnaast is er nog de structuur van een aparte vorm PSI, dat soms als een tetrameer (vier eenheden) voorkomt. ‘Mijn laatste promovendus werkt nu nog even hier en gaat dan door in Tsjechië, bij een voormalig postdoc uit mijn groep. En mijn laatste postdoc stopt gelijk met mij, op 13 oktober.’

Rekencluster

De nieuwe manier van onderzoek is een echte ‘big data’ aanpak. Slimme software in de microscoop scant een monster met gezuiverd eiwit, herkent het juiste eiwit en maakt er filmpjes van. Analyse software maakt van duizenden afbeeldingen van eiwitten die op allerlei manieren in het preparaat liggen één driedimensionaal model. ‘Daar gebruiken we een rekencluster van het CIT voor, al hebben we hier een eigen klein cluster staan voor een eerste ruwe analyse.’

Het aantal structuren dat wordt opgelost is de afgelopen vijf jaar bijna exponentieel gegroeid. Is het niet jammer om op zo’n moment te moeten stoppen? ‘Dat is het zeker wel. Maar na je zestigste kun je al nauwelijks onderzoeksgelden krijgen. En ik wil mijn opvolgster, Cristina Paulino, zeker niet voor de voeten lopen!’ Zij zal zich niet meer richten op fotosynthese. ‘Wel jammer, want daarmee verdwijnt dit grotendeels van de RUG. Fotosynthese is ten slotte de basis voor al het leven op aarde!’