Kijken naar één molecuul

Onze cellen zitten tjokvol met allerlei soorten moleculen zoals eiwitten, DNA, RNA en nog veel meer. In deze dikke soep van stoffen die elkaar beïnvloeden is het lastig te zien wat de rol van één bepaald molecuul is. Juist dat is de ambitie van Antoine van Oijen, hoogleraar Single Molecule Biophysics aan de RUG. Hij heeft een belangrijke stap in die richting gezet door de beweging van één enkel transporteiwit zichtbaar te maken. Het resultaat is op 3 oktober gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature .

Het molecuul dat Van Oijen met zijn collega’s in beeld bracht is een transporteiwit waarmee micro-organismen de voedingsstof aspartaat door hun celmembraan heen naar binnen halen. Het heeft de tamelijk onuitspreekbare naam Glt_Ph. Dit eiwit hoort thuis in een klasse van transportmoleculen die in het celmembraan zitten. ‘Tot nu toe was er nog niemand in geslaagd zichtbaar te maken hoe het transpoort door het membraan verloopt’, legt van Oijen uit.

Hoewel het zichtbaar maken van individuele moleculen al zo’n vijftien tot twintig jaar gebeurt, is de techniek nooit toegepast bij membraaneiwitten. ‘Er is wel een handvol publicaties over dit soort eiwitten, maar allemaal in kunstmatige systemen.’ Het is namelijk nogal lastig werken met eiwitten die in een celmembraan zitten.

Transporteiwitten in het membraan zijn van vitaal belang voor het functioneren van cellen. Ze verplaatsen allerlei substanties door het vettige celmembraan heen en zorgen ervoor dat er een gradiënt van ionen zoals kalium en natrium blijft bestaan tussen de binnen- en buitenkant van de cel. Die gradiënt drijft het transport deels aan, zoals een stromende rivier een waterrad aandrijft. Een verstoring van het transport in een cel is dan ook gevaarlijk en vaak dodelijk.

Guus Erkens, postdoc in de groep van Van Oijen, is er in geslaagd de beweging van Glt_Ph zichtbaar te maken. Het transporteiwit is een complex van drie identieke subeenheden. Erkens heeft twee van de drie gelabeld met twee verschillende fluorescerende verbindingen. ‘Ik heb beide verbindingen net zover verdund totdat een aanzienlijke deel van die complexen één exemplaar van elke van beide verbindingen bevatte.’

Wanneer de eerste verbinding met laserlicht wordt beschenen zendt deze licht uit. De tweede verbinding vangt dit uitgezonden licht op en zendt vervolgens zelf licht van een andere kleur uit. ‘De hoeveelheid licht die de tweede verbinding uitzendt hangt af van de afstand tot de eerste verbinding’, legt Erkens uit. Op die manier is het mogelijk om zichtbaar te maken wat op enig moment de afstand is tussen de twee gemerkte subeenheden van het complex.

Onder een speciaal aangepaste microscoop mat Erkens het gedrag van het transporteiwit in honderden lipide blaasjes, eens soort kunstmatige celmembraan. Alleen gegevens van blaasjes die precies één transporteiwit bevatten met twee op de juiste manieren gemerkte subeenheden werden gebruikt in de analyse.

De belangrijkste vraag die Erkens wilde beantwoorden is of de drie subeenheden waar het complex uit bestaat samenwerken, of niet. ‘Wat we vonden is dat elk van de drie subeenheden afzonderlijk een aspartaat kan transporteren.’ De subeenheden bewegen daarbij als een soort lift op en neer door de membraan.

Het onderzoek is uitgevoerd in nauwe samenwerking met Dirk Slotboom, hoogleraar biochemie aan de RUG. Slotboom werkt al tien jaar aan Glt_Ph. Hij publiceerde afgelopen maand een artikel over zijn onderzoek in Nature Structural & Molecular Biology, zie daarvoor ‘Het mysterie van de lege lift’.

Beide publicaties zijn ook van belang voor medisch onderzoek, want de menselijke hersenen bevatten een transporteiwit dat sterk lijkt op Glt_Ph en dat zorgt voor het opruimen van glutamaat, een neurotransmitter (signaalstof) die zorgt voor de communicatie tussen bepaalde typen hersencellen. ‘Als dit transporteiwit niet goed werkt, is dat slecht voor de hersenen’, zegt Van Oijen. Mogelijk speelt een defect in het glutamaat transport een rol bij ziekten als Alzheimer, ALS en Huntington.

‘Nu we weten hoe deze transporter behoort te werken kunnen we zoeken naar afwijkingen’, denkt Van Oijen. ‘En dat kan weer helpen bij de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. Maar dat hele proces zal al snel tien tot twintig jaar duren.’

Het ontwikkelen van nieuwe medicijnen is echter niet het hoofddoel van het onderzoek van Van Oijen: dat is het begrijpen van de vele processen die zich in een cel afspelen. Daarbij ligt zijn focus op individuele moleculen, die hij in een zo natuurlijk mogelijke omgeving wil bestuderen.

‘Andere onderzoeksgroepen hebben Glt_Ph ook bestudeerd, maar dan in een soort zeepoplossing. Daarin kan het eiwit wel op en neer bewegen, maar er kan geen echt transport plaatsvinden omdat in zo’n oplossing geen ‘binnen’ of ‘buiten’ bestaat.’ De resultaten die in dit soort systemen zijn gevonden wijken dan ook af van wat Van Oijen vond. Dat ziet hij als een bevestiging dat hij op de goede weg is.

‘Het is belangrijk om dit soort transporteiwitten in de juiste omgeving te bestuderen. We kunnen alleen meer te weten komen over de moleculaire mechanismen van transport wanneer er daadwerkelijk transport door een echt membraan plaatsvindt.’ Van Oijen richt zich nu op eiwitcomplexen die zijn samengesteld uit verschillende onderdelen. ‘Ons uiteindelijke doel is om te achterhalen hoe al deze eiwitten werken in een echte cel.’

Referentie : Unsynchronised subunit motion in single trimeric sodium-coupled aspartate transporters, Guus B. Erkens, Inga Hänelt, Joris, M.H. Goudsmits, Dirk Jan Slotboom and Antoine M. van Oijen , Nature 3 oktober 2013, D OI:10.1038/nature12538