biochemie

Het membraan (omhulsel) van de thylacoïden (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis

Kan C4-fotosynthese de wereldvoedselproductie verdubbelen?

De plantenwereld kent twee belangrijke fotosynthesetechnieken: C3, de standaardmethode, en C4, waarbij de CO2 wordt geconcentreerd in de plant. C4 vaagt meer energie, maar de plant raakt veel minder snel in ‘ademnood’, waardoor de gewasopbrengsten in zonnige gebieden bijna twee keer zo hoog liggen. Kunnen we hiermee het wereldvoedselprobleem oplossen?

Het membraan (omhulsel) van de thylacoïden (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis
Het membraan (omhulsel) van de thylacoïden (bladgroenkorrels) maakt het mogelijk om licht in energie om te zetten. Bron: UC Davis

Hoe werkt  fotosynthese?
We hebben allemaal op school geleerd dat bladgroenkorrels licht opvangen, waar de plant voedsel mee maakt. Deze bladgroenkorrels vormen in feite alleen maar het begin van de keten. In de korrels wordt in de “lichtreactie” water gesplitst (waarbij als afvalproduct zuurstof vrijkomt) en waterstofionen (H+). Deze  waterstofionen worden direct gebruikt om zes kooldioxidemoleculen (CO2) om te zetten in glucose (C6H12O6), de basisbouwstof voor plantencellen. Terwijl ze uit de bladgroenkorrel naar buiten worden gepompt, leveren deze ionen ook energie om ADP in de energiedrager ATP om te zetten.

C4-planten kunnen door de ringen van cellen CO2 concentreren, waardoor ze in een droog, heet klimaat veel sneller groeien.
C4-planten kunnen door de ringen van cellen CO2 concentreren, waardoor ze in een droog, heet klimaat veel sneller groeien.

Wat is het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese?
Om het verschil tussen C3- en C4-fotosynthese uit te leggen, moeten we kijken naar de methode die de plant gebruikt om CO2 vast te leggen. Je zou het op grond van alle alarmverhalen niet zeggen, maar in feite verhongeren planten door te weinig CO2. Daarom bestaat de helft van alle eiwitten bij planten uit maar één enzym: rubisco, het enzym dat CO2 vangt en inbouwt in de zogeheten Calvin-cyclus. Dit enzym is miljarden jaren geleden ontstaan, toen er nog geen zuurstof in de atmosfeer zat. Daarom is het niet berekend op de aanwezigheid van zuurstof, waardoor er veel CO2 verloren gaat. In plaats van rubisco te veranderen, wat voor een plant zelfmoord zou betekenen, ontstonden naast de standaard (C3) vorm van fotosynthese, twee extra methoden om te voorkomen dat er teveel zuurstof bij het rubisco in de buurt komt: C4-metabolisme en CAM.
CAM-planten, zoals cactussen, zetten hun huidmondjes ’s nachts open en vangen dan CO2 (die ze opslaan in appelzuur), die ze overdag weer afsplitsen en verder verwerken. Deze strategie kost veel energie, maar spaart water en komt daarom vooral voor bij woestijnplanten, waarvoor water veel belangrijker is dan energiebesparing.
We hebben het hier verder over C4-planten. Deze planten gebruiken een andere techniek: het huisvesten van Rubisco in een CO2-rijke omgeving. Dit krijgen deze planten voor elkaar, door CO2 in twee stappen vast te leggen. In de eerste stap, in een krans om de cellen waar de donkerreactie plaatsvindt, wordt CO2 vastgelegd in een verbinding met 4 koolstofatomen (vandaar de naam C4), die wordt getransporteerd naar de plek waar Rubisco het verwerkt. Daardoor gaat er minder energie verloren. Wel kost dit proces 30 ATP, waar de ‘normale’ C3-fotosynthese maar 18 ATP kost. Bekende C4-gewassen zijn maïs, suikerriet en sorghum (hier minder bekend, maar in Afrika een van de belangrijkste voedingsgewassen). C4-planten evolueerden rond de 30 miljoen  jaren geleden, toen de CO2-hongersnood nijpend werd en het klimaat droger werd.

John Sheehy: Increasing Rice Yield 50% with C4 Photosynthesis

Tarwe, rijst en andere gewassen ombouwen tot C4-plant
Maïs en sorghum zijn minder populair als voedselgewas dan tarwe en rijst. Hoewel in de tropen de opbrengsten van maïs veel groter zijn dan die van rijst, kiezen boeren daarom toch massaal voor rijstteelt. Zouden we er in slagen om C4-eigenschappen in deze populaire voedingsgewasssen in te bouwen, dan zouden we de oogsten per  hectare met 50% kunnen vergroten. Terwijl er minder kunstmest en water nodig is, waardoor per liter water de oogst verdrievoudigt. Voor woestijnlanden als Egypte en dichtbevolkte landen als India, Nigeria en Bangladesh zou dit uiteraard een uitkomst zijn. Toch vrees ik dat de smaak iets achteruit zal gaan. Voor C4 moeten er kransen om de plekken waar de Calvin-reactie plaatsvindt worden aangemaakt. De reden dat typische C4-granen als sorghum en maïs een vrij harde smaak hebben, is vermoedelijk die laag.Aan de andere kant: we hebben weinig keus meer. De watertekorten over de gehele wereld worden steeds nijpender en in gebieden als Californië stijgt de rijstoogst al niet meer sinds 1990. Op dit moment is het implanteren van het C4-mechanisme in voedselgewassen onze beste hoop om wereldwijd voedselgebrek te voorkomen.

Het C4-rijstproject
Het internationale rijst-onderzoeksinstituut IRRI in de Filippijnen is daarom begonnen met het ontwikkelen van een C4-variant van rijst. Dit project, met 5 miljoen dollar gefinancierd door de eBill and Melinda Gates Foundation, moet in een jaar of zes tot tien een bruikbare cultivar opleveren. Deze variant zal veel minder water gebruiken en een wat grotere oogst per hectare opleveren. Gezien het enorme belang van de voedselvoorziening is het onbegrijpelijk dat er zo weinig hulpbronnen in dit project worden gestopt. De taak die de onderzoekers te wachten staat is wanhopig moeilijk. Ze moeten de bestaande genen van rijst zo wijzigen, dat zich concentrische ringen van cellen gaan vormen. Als je bedenkt, dat in genen alleen eiwitten staan beschreven, niet direct de anatomie van planten, kan je je voorstellen dat dit een enorm veeleisende taak is. Toch slaagden planten hier in meer dan dertig plantensoorten in, weten we. Toch is het ze nu gelukt het rudimentaire C4-proces in rijst in te bouwen. Uiteraard moet deze rijst nog doorontwikkeld worden in een levensvatbaar C4-ras, maar er is nu voor het eerst zicht op een structurele oplossing.

Bronnen
Supercharged photosynthesis, MIT Review,2015

 

De verminking van een enzym maakte muizen geniaal. Zou dit bij mensen ook kunnen werken?

Genetisch gemanipuleerde superslimme muis ontwikkeld

De natte droom van nazi’s en andere rasverbeteraars is eindelijk realiteit geworden. Althans, van muizen is er nu een hyperintelligent superras gecreëerd. Kan het afremmen van fosfodiesterase-4B (PDE4B) in het menselijk brein hersenziekten zoals Alzheimer stoppen?

Remmen enzym PDE4B verbetert werking brein
Een internationaal team onderzoekers onder leiding van  Alexander McGirr verminkte het gen in muizen dat het enzym  fosfodiesterase-4B (PDE4B) produceert. Het verminkte enzym is veel minder actief, waardoor er minder van de stof cyclo-adenosinemonofosfaat (cAMP) afgebroken wordt. cAMP werkt onder meer op het zenuwstelsel.

Door het verminken van het enzym, werden de genetisch gemanipuleerde muizen beter in dingen onthouden, onthielden ze gebeurtenissen langer en konden ze complexere taken uitvoeren. Precies die dingen, die misgaan bij Alzheimerpatiënten. Kortom: het uitschakelen van dit enzym zou wel eens erg gunstig uit kunnen pakken voor deze patiënten.

De verminking van een enzym maakte muizen geniaal. Zou dit bij mensen ook kunnen werken?
De verminking van een enzym maakte muizen geniaal. Zou dit bij mensen ook kunnen werken?

De auteurs willen nu in vervolgonderzoek medicijnen ontwikkelen, die specifiek dit enzym remmen en deze uittesten op muizen en daarna mensen.

Kunnen we deze kennis ook bij mensen toepassen?
Er zijn twee overwegingen bij het toepassen van deze kennis op mensen.
Ten eerste is er een behoorlijk verschil tussen het muizenbrein en het mensenbrein. Het brein van een muis is ongeveer zo groot als een erwt en kent nauwelijks hersenschors. Dat van ons is anderhalve liter groot en heeft heel veel hersenschors.
Ten tweede is cAMP, de stof waarvan er meer komt door het uitschakelen van het enzym, erg belangrijk in het lichaam. In grote lijnen stimuleert het de stofwisseling. cAMP grijpt op tientallen punten in. Het is niet erg verstandig hiermee zonder meer te gaan knoeien, want volgens sommige onderzoeken zou een hoge activiteit van cAMP kanker kunnen veroorzaken. [2] Muizen leven kort, tussen de twee en drie jaar. Voor mensen is dit kankerrisico veel groter dan voor muizen.

Niettemin zijn dementie en dergelijke ziekten zo ernstig, dat artsen de bijwerkingen voor lief nemen. Kanker is meestal ook een chronische ziekte die vrij traag ontstaat. Bij oude mensen is dit dus minder een issue: die zijn al overleden als de kanker toeslaat. Hier zou deze behandeltechniek levensreddend kunnen worden. Kortom: toch per saldo een veelbelovende ontwikkeling.

Bronnen
1. Alexander McGirr et al., Specific Inhibition of Phosphodiesterase-4B Results in Anxiolysis and Facilitates Memory Acquisition, Nature Neuropsychopharmacology, 2015
2. Richard Marais et al., In Melanoma, RAS Mutations Are Accompanied by Switching Signaling from BRAF to CRAF and Disrupted Cyclic AMP Signaling, Cancer Research, 2006

De wondgenezing bij muizen kan dubbel zo snel door een revolutionair middel. Zal dit ook bij mensen lukken?

Nieuw medicijn versnelt wondgenezing drastisch

Een nieuw medicijn, dat getest is op muizen, leidde tot zeer snelle wondgenezing. Het medicijn heeft geen bijwerkingen, althans op de proefdieren en redde zelfs het leven van enkele dieren. Zou dit middel ook bij mensen werken?

Stimuleren van de prostaglandine E2 productie
Het molecuul is klein en heeft de werktitel SW033291. Het werkt, denken de onderzoekers van de Amerikaanse Cape Western Universiteit en UT Southwestern Medical Center, volgens een artikel in het zeer gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Science. Muizen die met het middel behandeld werden, vertoonden een wondgenezing die ongeveer twee maal sneller is dan normaal. Organen als lever, beenmerg en dikke darm herstelden zich veel sneller dan bij niet-behandelde dieren uit de dubbelblindproef.
Het middel werkt in twee stappen. Het middel stopt het lichaamshormoon 15-PGDH, waardoor dit hormoon de aanmaak van de stof prostaglandine E2 niet meer kan remmen. Daarom stijgt de concentratie van prostaglandine E2 sterk. Prostaglandine E2 wekt in het lichaam stamcellen tot leven, die een essentiële rol spelen in het herstel van weefsel. De stamcellen delen zich en de cellen die zich vormen, hechten zich en laten zo de randen van gewond weefsel aan elkaar groeien.

De wondgenezing bij muizen kan dubbel zo snel door een revolutionair middel. Zal dit ook bij mensen lukken?
De wondgenezing bij muizen kan dubbel zo snel door een revolutionair middel. Zal dit ook bij mensen lukken?

Zou het middel ook bij mensen werken?
De volgende stap is het middel uitproberen bij mensen. Mensen verschillen biologisch van muizen. Zo is een muis van drie jaar hoogbejaard en is het lichaamsgewicht van de gemiddelde muis duizenden malen minder dan dat van een mens. Veel eiwitten verschillen op enkele punten tussen muizen en mensen. Misschien werkt het middel niet in levende mensen. Er kunnen lange-termijn bijwerkingen optreden die in de kortlevende muizen niet waarneembaar zijn. Denk aan kankergezwellen, of tijdelijke uitputting van het lichaam door het snelle wondherstel. Toch is dit een zeer veelbelovend middel, dat in trauma-situaties (verkeersongelukken, gevechtssituaties, wondherstel na een operatie) veel levens kan redden. Ook geeft het ontbreken van ernstige bijwerkingen bij muizen hoop. Hopelijk overleeft dus SW033291, of een soortgelijk middel, de klinische tests en worden er bij mensen geen ernstige bijwerkingen gevonden.

Bronnen
Sanford D. Markowitz et al., Inhibition of the prostaglandin-degrading enzyme 15-PGDH potentiates tissue regeneration. Science, 12 juni 2015, DOI: 10.1126/science.aaa2340

Het zonnespectrum. Planten gebruiken hier ongeveer de helft van. Bron: Wikimedia Commons

Geheim van chlorofyl gekraakt

In een opmerkelijke ontdekking slaagde een groep onderzoekers er in om de lichtkleur die chlorofyl absorbeert, uit te breiden tot golflengtes die nog buiten bereik lagen. Zelfs nabij-infrarood licht kan nu door fotosynthese gebruikt worden. Kan hiermee de effectiviteit van fotosynthese, en dus de landbouwproductie, verdubbeld worden?

Het zonnespectrum. Planten gebruiken hier ongeveer de helft van. Bron: Wikimedia Commons
Het zonnespectrum. Planten gebruiken hier ongeveer de helft van. Bron: Wikimedia Commons

Meer dan de helft van het zonlicht  voor planten nutteloos
Alle leven op aarde, enkele spaarzame wormen rond hete diepzeebronnen en rotsbacteriën uitgezonderd, hangt af van fotosynthese, het proces in planten dat zonlicht, water en kooldioxide omzet in glucose (het beginpunt van alle organische stoffen) en zuurstof. De aarde is bedekt met een groene deken plantengroei, de zee met algen en cyanobacteriën. De fotosynthese zoals deze in planten plaatsvindt, benut het grootste deel van het licht echter niet. Plantenbladeren zijn niet zwart, maar groen. Dat komt, omdat chlorofyl groen licht niet absorbeert.  In feite treft dit lot meer dan de helft van alle straling in het zichtbare-licht deel van het spectrum (dat loopt van 400 nm, violet, tot 700 nanometer, rood). Doorzichtige zonnecellen die alleen groen licht absorberen, zouden in feite de plantengroei vrijwel niet hinderen. Planten proberen met behulp van carotenoïden, u weet wel, waar ons lichaam vitamine A van maakt, toch nog wat lichtenergie in dit gebied te vangen, maar ook dit lapmiddel werkt niet echt bevredigend.

Het nieuw ontwikkelde chlorofylmolecuul sluit het gat tussen 'normaal' chlorofyl en  bacteriochlorines, die rond 800 nm maximaal absorberen. Bron: 1.
Het nieuw ontwikkelde chlorofylmolecuul sluit het gat tussen ‘normaal’ chlorofyl en bacteriochlorines, die rond 800 nm maximaal absorberen. Bron: 1.

Moleculaire springveer
Willen we dit verbeteren, dan moeten we aan het chlorofylmolecuul zelf knutselen. Licht is een trilling en chlorofyl komt in resonantie bij bepaalde golflengten. Bij chlorofyl a bijvoorbeeld rond 680 nanometer en chlorofyl b rond de 480 nm: niet toevallig de golflengte van geel licht en de golflengte waarop de stralingspiek van de zon ligt. Het verschil tussen chlorofyl a en chlorofyl b zijn de atoomgroepjes die aan deze moleculen hangen. Hoe logger deze zijn, hoe lager de de resonantiefrequentie van het chlorofylmolecuul en daarmee: hoe langer de golflengte van licht dat wordt geabsorbeerd.

De onderzoekers bereikten zelfs een ongelofelijke 900 nanometer warmtestralingsabsorptie.
De onderzoekers bereikten zelfs een ongelofelijke 900 nanometer warmtestralingsabsorptie. Bron: 2.

Dit is precies wat de onderzoeksgroep heeft gedaan. Door middel van uitgekiende toevoegingen van atoomgroepen aan het chlorofylmolecuul, slaagden ze erin de kloof te dichten tussen diverse groepen bacteriochlorines en ook het golflengtebereik ver uit te breiden, tot zelfs in het infrarood. Je leest het goed: door deze ontdekking kan zelfs kortgolvige warmtestraling voor fotosynthese worden gebruikt. Dit is straling die veel door een rode dwergster wordt afgegeven. Wanneer we interstellaire ruimtevaart ontwikkeld hebben en we op bezoek kunnen bij de nabije rode dwergsterren, bijvoorbeeld deze dwergster met planeten, dan hebben we voor de kolonisten nu in ieder geval alvast een bruikbaar chlorofylpigment voor hun gewassen ontwikkeld. Omdat het hier om bacterieel chlorofyl gaat, is toepassing in planten niet vanzelfsprekend, maar ook hier geldt dat het de gewasopbrengst sterk zou kunnen vergroten, zeker door de benutting van nabij-infrarood straling.

Bronnen

  1. Kaitlyn M. Faries et al., Photophysical Properties and Electronic Structure of Chlorin-Imides: Bridging the Gap between Chlorins and Bacteriochlorins. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 150114100627003 DOI: 10.1021/jp511257w
  2. Pothiappan Vairaprakash et al., Extending the Short and Long Wavelength Limits of Bacteriochlorin Near-Infrared Absorption via Dioxo- and Bisimide-Functionalization. The Journal of Physical Chemistry B, 2015; 119 (12): 4382 DOI: 10.1021/jp512818g
Meer of juist minder herinneringen laten vormen kan de sleutel zijn voor de behandeling van Alzheimer en/of autisme.

Eiwit vergroot of verkleint hersencapaciteit en geheugen

Een team onderzoekers ontdekte een cruciale biochemische schakelaar voor het sneller of juist langzamer plaats laten vinden van geheugenvorming. Is het manipuleren van FXR1P de oplossing voor het behandelen van hersenziekten als bijvoorbeeld autisme en Alzheimer?

Op dit moment is de consensus onder neurologen, dat herinneringen bestaan uit groepjes verbonden neuronen, schakelcellen in de hersenen. Als zich nieuwe herinneringen vormen, worden er nieuwe verbindingen gelegd tussen neuronen.

In een nieuwe internationale studie, geleid door het Research Institute of the McGill University Health Centre (RI-MUHC), is een molecuul ontdekt dat de hersenfunctie en terughalen van herinneringen verbetert.  Hun ontdekking heeft betekenis voor ziekten die met de ontwikkeling van het zenuwstelsel te maken hebben (zoals autisme) en neurodegeneratieve ziekten (zoals de ziekte van Alzheimer).

Meer of juist minder herinneringen laten vormen kan de sleutel zijn voor de behandeling van Alzheimer en/of autisme.
Meer of juist minder herinneringen laten vormen kan de sleutel zijn voor de behandeling van Alzheimer en/of autisme.

Het molecuul, het eiwit FXR1P (Fragile X Related Protein 1), beperkt de aanmaak van moleculen die nodig zijn voor het  aan;eggenm van herinneringen, aldus RI-MUHC neurowetenschapper Keith Murai, de leidende auteur achter het artikel en Associate Professor in the Department of Neurology and Neurosurgery van McGill University. “Als dit remmende eiwit wordt onderdrukt, kan  het brein meer informatie opslaan.”

Murai en zijn collega’s experimenteerden met muizen om uit te vinden hoe veranderingen in verbindingen tussen hersencellen nieuwe herinneringen produceren.  Wanneer FXR1P selectief verwijderd wordt uit bepaalde hersenregio’s, worden nieuwe moleculen geproduceerd. Deze versterken het aantal verbindingen tussen hersenneuronen, wat samen bleek te hangen met een beter geheugen en sneller terughalen van herinneringen in de muizen.

Verband met hersenziekten
Volgens Murai kunnen we hier spreken van een verrassend resultaat. FXR1P is al langer bekend, maar dan als een eiwit dat de eiwitproductie via mRNA, rondzwervende ‘blauwdrukken’ van eiwitten die uit DNA zijn overgeschreven, controleert.  De rol van FXR1P legt een nieuw werkingsmechanisme bloot, dat reguleert hoe het brein informatie verwerkt en dat relevantie kan hebben voor het begrijpen en behandelen van hersenafwijkingen.

Als veilige middelen worden ontdekt die FXR1P kunnen afremmen of juist stimuleren, kunnen artsen hiermee direct ingrijpen in de hersenen. Bij autisme worden de problemen, denkt men, veroorzaakt door een te groot aantal verbindingen tussen hersencellen. Hierdoor kan een autist vaak zeer veel informatie onthouden, maar wordt deze makkelijk overweldigd door de informatiestroom. Bij de ziekte van Alzheimer vallen juist steeds meer verbindingen tussen neuronen uit, waardoor deze geïsoleerd raken en afsterven. Het kan interessant zijn om bij bijvoorbeeld autisten de activiteit van FXR1P te versterken en in de hersens van Alzheimerpatiënten deze juistte verminderen, waardoor minder resp. juist meer hersenverbindingen worden gevormd.
Smart drugs
Een andere toepassing zouden smart drugs kunnen zijn. Voor studenten is het erg interessant om veel beter te kunnen leren in een examenperiode. Wellicht werken deze stoffen positief samen met al bestaande nootropica zoals modafinil en piracetam. Minder herinneringsvorming is dan weer nuttig om later psychotrauma te voorkomen, of voor criminelen om een sessie aan de leugendetector te overleven.

Bron
Denise Cook et al. FXR1P Limits Long-Term Memory, Long-Lasting Synaptic Potentiation, and De Novo GluA2 Translation. Cell Reports, 2014; DOI: 10.1016/j.celrep.2014.10.028 (open access)

Foto's C en D zijn op latere leeftijd genomen van resp. muizen A en B. Bron: J.D. Boer et al, Premature ageing in mice deficient in DNA repair and transcription, Science, 2002

Veroudering teruggedraaid in muizen

Een team onderzoekers is erin geslaagd om celveroudering in oude muizen terug te draaien. Dit had tot gevolg dat de lichamen op verschillende manieren jonger werden. Deze ontdekking kan grote gevolgen hebben om ouderdomsziekten te begrijpen en te genezen.

Mitochondriën als energiecentrales
De eerste cellen waren niet in staat om zuurstof te gebruiken. Pas toen ongeveer 1 miljard jaar geleden onze vooroudercellen gingen samenwerken met vrij levende bacteriën, die wél in staat waren zuurstof te gebruiken, kon zich meercellig leven ontwikkelen. De nakomelingen van deze vrij levende bacteriën zijn mitochondriën, die inmiddels het grootste deel van hun DNA verloren hebben, maar nog steeds een sleutelrol vervullen in onze cellen. Mitochondriën produceren ATP, de energieleverancier voor alle energiegebruikende enzymen in de cel. Enzymen zijn grote eiwitmoleculen, een soort nanorobots, die elk een bepaalde chemische omzetting doen. Mitochondriën laten glucose of vetten via een ingewikkeld proces (de citroenzuurcyclus) met zuurstof regeren en geven de vrijgekomen energie als ATP (en NADPH/NADP+, met het paar NADH/NAD+, dat een vergelijkbare rol als ATP vervult en ook elektronen levert) af. Straks meer over NAD+, de gereduceerde versie van NADH.

Foto's  C en D zijn op latere leeftijd genomen van resp. muizen A en B. Bron: J.D. Boer et al, Premature ageing in mice deficient in DNA repair and transcription, Science, 2002
Foto’s C en D zijn op latere leeftijd genomen van resp. muizen A en B. Bron: J.D. Boer et al, Premature ageing in mice deficient in DNA repair and transcription, Science, 2002

Haperende mitochondriën 
Mitochondriën produceren enkele enzymen zelf, maar sommige enzymen, die voor de omzetting van suikers en vetten in ATP nodig zijn, worden door de celkern geproduceerd. Daarom moeten mitochondriën en de celkern precies op elkaar afgestemd zijn. Als we ouder worden, werken mitochondriën minder goed. Het gevolg kan onder meer  de ziekte van Alzheimer en diabetes zijn. Om uit te vinden hoe dit kwam, bestudeerde Ana Gomes van Harvard Medical School met haar collega’s  de concentraties van messenger RNA (mRNA) die coderen voor ademhalingsenzymen in de skeletspieren van zes maanden oude en 22 maanden oude muizen (tweejarige muizen zijn bejaard).

mRNA is de tussenstap bij het vertalen van DNA in een enzym, en valt in enkele dagen uit elkaar, dus hiermee weet je precies welke enzymen op het moment van de meting geproduceerd worden. Ze ontdekten, dat de hoeveelheden mRNA in de celkern bij oude muizen niet verminderden, maar het door mitochondriën geproduceerde mRNA wel. Met andere woorden: het zijn de mitochondriën die haperen bij ouderdom, niet de celkern, die nog steeds trouw enzymen aanmaakt.

Gebrek aan SIRT1  
Deze veranderingen kwamen ook voor in muizen die niet beschikten over het enzym SIRT1. Al langer is bekend, dat dit enzym verhoogd voorkomt bij voedselbeperking en langere levensduur.  Deze muizen, alsmede oude muizen, hebben ook een hoger niveau aan het door de celkern geproduceerde eiwit hypoxia inducible factor (HIF-1α). Het lijkt erop, dat de communicatie tussen de celkern en de  mitochondria afhangt van een kettingreactie, waarvan HIF-1α and SIRT1  onderdeel uitmaken. Zolang het SIRT1 gehalte in de cel hoog blijft en de celkern goed communiceert met de mitochondria, is geen sprake van veroudering.

Uit eerder onderzoek is bekend dat NAD+ (geproduceerd door mitochondriën) SIRT1 in conditie houdt. Ook is bekend, dat om onbekende redenen de produtie van NAD+ in oude cellen afneemt, hoewel niemand weet waarom. Dit stopt de communicatie tussen de voormalige bacterie en de celkern.

NAD-productie opkrikken met nicotinamide mononucleotide: elixir van de eeuwige jeugd ontdekt?
Het onderzoeksteam vroeg zich af of het mogelijk was om de communicatie tussen celkern en  mitochondria  weer te herstellen. Bijvoorbeeld door het SIRT1 gehalte in de cellen op te vijzelen. Om dit te testen, werden de bejaarde muizen twee keer per dag geïnjecteerd met  nicotinamide mononucleotide (NMN) – een molecule, waarvan bekend is dat het het NAD-niveau in cellen omhoog jaagt (en dus SIRT1 herstelt). Aan het eind van de week lijken de bejaarde muizen herboren. Het wegteren van de spieren en ontstekingsreacties stopt en de muizen hebben zelfs een ander type spieren ontwikkeld, dat meer lijkt op dat van jonge muizen van zes maanden oud. Gomes blijft, zoals een goed wetenschapper betaamt, voorzichtig. “We ontdekten dat het manipuleren van deze kettingreactie de functie van mitochondria kan verbeteren en bepaalde ouderdomziekten in oude muizen kan afremmen, en op deze manier ons een nieuwe methode verschaft om bepaalde verouderingsverschijnselen terug te draaien,” aldus Gomes. Zou NMN, nu al door sommigen aanbevolen als voedingssupplement voor diabetes type II patiënten, het voedingssupplement van de toekomst worden?

Bron: 
Ana Gomes et al, Declining NAD+ Induces a Pseudohypoxic State Disrupting Nuclear-Mitochondrial Communication during Aging, Cell, DOI: 10.1016/j.cell.2013.11.037

Een eiwit met polymeerjas blijkt te kunnen werken zonder water. Is dan toch leven zonder water mogelijk? Bron: [1]

Bouwsteen leven werkt zonder water

Zou leven kunnen bestaan zonder water? In ieder geval is een bouwsteen ontdekt die zonder water kan functioneren: een bepaald enzym.

Water toch niet zo onmisbaar voor leven als gedacht
Water lijkt onmisbaar voor leven. Op aarde is er geen levensvorm die functioneert zonder water in het lichaam. Weliswaar kunnen organismen als beerdiertjes en bacteriën jarenlang overleven in gedroogde toestand, maar dan in een toestand van schijndood. Exobiologen zoeken daarom naar water, en wat een bewoonbare zone rond een ster uitmaakt, wordt bepaald door de vraag of water in vloeibare toestand kan voorkomen.

Een eiwit met polymeerjas blijkt te kunnen werken zonder water. Is dan toch leven zonder water mogelijk? Bron: (1)
Een eiwit met polymeerjas blijkt te kunnen werken zonder water. Is dan toch leven zonder water mogelijk? Bron: (1)
Een nieuwe ontdekking brengt hier verandering in. In ieder geval één eiwit blijkt te kunnen functioneren zonder water. Heel belangrijk, want het actieve deel van levende wezens bestaat, naast DNA, geheel uit eiwitten.

Adam Perriman van de Engelse Universiteit van Bristol en zijn collega´s zijn er in geslaagd het jasje van watermoleculen dat om myoglobines hangt -eiwitten die zuurstof naar de spieren transporteren en vers vlees zijn rode kleur geven – te vervangen door een synthetisch polymeer die werkt als een smeermiddel. Hierdoor veranderen de eiwitten in een soort dikke stroop.

Vervolgens bekeken de onderzoekers met behulp van neutron scattering hoe goed de eiwitten konden bewegen. Opmerkelijk genoeg bleken de eiwitmoleculen met polymeerjasje even goed als eiwitten in water te functioneren, bleven ze flexibel en vertoonden het in waterige omgeving bekende gedrag. Waaronder het binden van zuurstof.

Kunstmatig leven op Mars of de maan
Het belang van deze ontdekking is groot. Niet alleen wordt het potentiële domein waarin zich leven kan bevinden sterk vergroot, al gaat het hier om een polymeer dat niet van nature voorkomt, ook zou je nu in principe levende organismen kunnen ontwerpen die in zeer waterarme of waterloze omstandigheden functioneren. Woestijnen vormen de eerste mogelijkheid die opkomt, maar ook in omgevingen als Mars of wellicht zelfs de maan of asteroïden zouden dit soort organismen wellicht kunnen overleven.

Geneesmiddel zonder allergische reacties
Een tweede mogelijkheid, die nu al direct kan worden benut en ook door de ontdekkers genoemd, is het ontwerpen van enzymen (eiwitten die en bepaalde biochemische reactie helpen uitvoeren) die niet door het menselijke immuunsysteem worden aangevallen.  Door een polyetheenglycol (PEG) aan te brengen kan een eiwit worden “verstopt”  voor het immuunsysteem en -blijkt uit deze proef- nog steeds biologisch actief zijn (tenminste als PEG ruwweg dezelfde eigenschappen heeft als het polymeer dat de onderzoekers hebben gebruikt en dat helaas niet in de samenvatting terug te vinden is, [2] stelt dat het om een PEG-achtig polymeer gaat). Kortom: de eiwitten zelf vormen de vloeistof, aldus  mede-auteur Perriman.

Vloeibare eiwitpleister en schonere reacties
Onder de toepassingen die het team nu wil ontwikkelen zijn pleisters waarbij het vloeibare eiwit als pasta wordt aangebracht. Het kan dan werken als een zuurstofpomp met een chemische reactie tussen de eiwitlaag en een uit glucose bestaande afdeklaag, waarbij zuurstof door het eiwit naar de huidoppervlakte wordt getransporteerd.

Ook kan de techniek worden gebruikt voor schonere biochemische reacties. Zonder water kunnen chemische reacties en biochemische reacties nauwkeuriger op elkaar worden afgestemd: door de factor water te verwijderen worden heel veel potentiële, ongewenste chemische reacties namelijk voorkomen. Deze ongewenste reacties hebben twee nadelen: naast verlies van grondstoffen, vervuilen ze het eindproduct waardoor een lastig en duur zuiveringsproces nodig is. Ook leveren ze een afvalstroom op. Dit zou voorkomen worden als enzymen worden ingepakt in bijvoorbeeld een PEG-mantel.

Bron:
1. A Polymer Surfactant Corona Dynamically Replaces Water in Solvent-Free Protein Liquids and Ensures Macromolecular Flexibility and Activity, Journal of the American Chemical Society, 2012, DOI: 10.1021/ja303894g (weinig informatief zonder volledige toegang)
2. Neutron Scattering Explains How Myoglobin Can Perform Without Water, Science Daily, 2012

Thapsi garganica, de "Wortel des Doods", kan wel eens het leven van vele kankerpatiënten gaan redden. Bron: Wikimedia Commons

‘Wortel des Doods levert nieuw anti-kankermedicijn’

Veel gifplanten zijn een bron van medicijnen. De ‘wortel des doods’ Thapsia garganica belooft deze regel weer te bevestigen, tenminste, als medisch onderzoekers er in slagen om thapsigargine, de gifstof in de plant, selectief voor kankercellen te maken.

Thapsi garganica, de "Wortel des Doods", kan wel eens het leven van vele kankerpatiënten gaan redden. Bron: Wikimedia Commons
Thapsia garganica, de "Wortel des Doods", kan wel eens het leven van vele kankerpatiënten gaan redden. Bron: Wikimedia Commons

Wortel des Doods
De bloeiende plant Thapsia garganica ziet er onschuldig uit, maar veehouders in het Middellandse Zeegebied weten wel beter. De plant is namelijk dodelijk giftig, wat de plant in de klassiek-Griekse wereld de bijnaam ‘wortel de doods’ opleverde.  Toch blijkt deze gifplant een opmerkelijk nut te hebben; een bron voor een nieuw selectief antikankermedicijn. Wel moet er nog een lastige horde genomen worden: voorkomen dat de stof, zoals de huidige generatie chemotherapie doet, ook gezonde cellen aantast.

Kankercellen trekken pin uit chemische handgranaat
De dodelijke werking van thapsigargine berust op het stilleggen van de calciumpomp in cellen. Thapsigargine, zoals dat in de plant voorkomt, kan door het celmembraan heendringen en daar zijn verwoestende werk doen. Biochemicus Danmeade en zijn team slaagden er in een extra peptideketen (een reks aminozuren) aan thapsigargine te koppelen, waardoor het molecuul niet meer door het celmembraan van gezonde cellen kan reizen. Tenzij het enzym PSMA de peptide van het molecuul afknipt, waardoor het molecuul alsnog de cl binnn kan dringen en daar toeslaan. PSMA is een enzym dat veel voorkomt op de oppervlakte van veel prostaatkankercellen. Anders dan de huidige generatie chemotherapie, die alle sneldelende cellen aantast (met uiterst vervelende gevolgen voor bijvoorbeeld de immuuncellen in ons beenmerg), werkt de thapsigargine alleen lokaal en vernietigt daar alle cellen in de omgeving. Niet alleen de prostaatkankercellen zelf, maar ook gezonde cellen die de prostaatkankercellen helpen te overleven. De prostaatkankercellen trekken als het ware de pin uit de chemische handgranaat.

Ook andere kankersoorten
Omdat PSMA alleen op prostaatkankercellen voorkomt, is het een geliefd doelwit voor kankeronderzoekers om hun antikankermiddelen aan te laten binden. Dit middel gebruikt echter een unieke methode: selectieve gevoeligheid voor een kankerenzym, die ook voor andere medicijnen gebruikt kan worden en dus weleens de stamvader kan worden voor een heel nieuwe klasse medicijnen. Nog meer goed nieuws: PSMA komt ook voor op de oppervlakte van cellen van sommige andere types kanker. De kans zit er dus zeker in dat dit medicijn ook uitgetest zal worden op deze kankersoorten. Op dit moment is kanker de grootste doodsoorzaak in de ontwikkelde wereld. Kankertherapie is duur en slopend, dus komt dit middel als geroepen. Zeker, als deze techniek ook voor andere kankerenzymen gebruikt gaat worden. Zou deze gevreesde gifplant het leven van miljoenen kunnen redden? Laten we het hopen.

Bron
Samuel R. Denmeade et al., Engineering a Prostate-Specific Membrane Antigen–Activated Tumor Endothelial Cell Prodrug for Cancer Therapy, Science Translational Medicine (2012)

Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan?

‘RNA-wereld hypothese klopt niet’

Alle leven kwam voort uit RNA. Dat is in het kort de RNA-wereld hypothese. Een van de sterkste argumenten was het ribosoom, een essentieel celonderdeel dat bijna geheel uit RNA bestaat. Nieuw onderzoek aan de ouderdom van diverse delen van RNA laat echter zien dat deze hypothese grondig op de schop moet. Wat is de werkelijke oorzaak van het leven?

RNA-wereld
Het leek allemaal zo mooi. DNA, de drager van erfelijk materiaal in cellen anno nu, kan alleen maar genetische informatie opslaan. Eiwitten zijn zeer goed in het verrichten van allerlei biochemische  klussen, maar kunnen weer geen leesbare informatie opslaan. RNA bleek echter de redder uit de nood. RNA kan namelijk zowel werken als enzym als informatiedrager. Het oermolecuul dus.  De RNA-wereld hypothese, voor het eerst gepubliceerd in 1986 in het gezaghebbende tijdschrift Nature, stelt daarom dat het leven begon als RNA-molecuul, dat leerde samenwerken met eiwitten en zo uiteindelijk de eerste cellen vormde. Professor Gustavo Caetano-Anollés, verbonden aan de Universiteit van Illinois, vakgroep  crop sciences en het Institute for Genomic Biology, gelooft dat dit niet klopt. Volgens hem konden nucleïnezuren  zich nooit hebben ontwikkeld als deze niet met eiwitten hadden samengewerkt.

Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan?
Een raadselachtige ontdekking. Uit een analyse van de ouderdom van delen van ribosomen blijkt dat de bijbehorende eiwitten minstens zo oud zijn. Waar komt het leven vandaan? Bron: Gustavo Caetano-Anollés, Illinois Univ.

Chemische co-evolutie van RNA en eiwit
RNA is een “ribonucleo-eiwit machine,” een complex waarin tot tachtig verschillende eiwitten samenwerken met meerdere RNA moleculen, zodat het zinnig is te veronderstellen dat dit systeem zich in een lang proces van chemische co-evolutie heeft ontwikkeld, aldus Caetano-Anollés. Ook is volgens hem RNA niet in staat tot het synthetiseren van alle eiwitten.

Veronderstellingen RNA-wereld bleken fout
Aanhangers van de RNA-wereld hypothese namen een aantal dingen aan over de evolutionaire oorsprong van het ribosoom. Deze aannames bleken niet te kloppen, bleek uit het onderzoek van zijn groep. De belangrijkste foutieve aanname: het deel van het ribosoom dat verantwoordelijk is voor het opbouwen van eiwitten,  het peptidyl transferase centrum (PTC), is helemaal niet het oudste deel van het ribosoom, zoals gedacht.

Uitpluizen van evolutionaire informatie
In hun nieuwe analyse hebben ze door ribosomen van honderden verschillende organismen te vergelijken, een soort evolutionaire stamboom opgesteld.  Hiermee ontwikkelden ze een evolutionaire tijdlijn met hierin de vermoedelijke ouderdom van diverse delen van het ribosoom. Dit deden ze zowel met het RNA-deel van het ribosoom als met het eiwitdeel. Op deze manier ontstonden twee “familiebomen”, één op basis van eiwitten, de ander op basis van RNA, die sterk overeenkwamen.

‘Eiwitdeel ouder dan RNA-deel’
Zo bleken de eiwitten die het PTC omringden, bijvoorbeeld, zo oud te zijn als het ribosomale RNA dat deze plek vormt. Evolutionair gezien bleek het PTC zich pas gevormd te hebben, vlak nadat de twee primaire subonderdelen van het ribosoom aan elkaar waren gaan zittten (met RNA-ketens ertussen). Een sterke aanwijzing dat eiwitten al bestonden voor ribosomale RNA’s actief werden, aldus de prof. Ook moeten deze stukken RNA hiervoor een andere taak hebben gehad.

Kortom: alles lijkt er op dat ribosomale eiwitten en RNA zich geleidelijk ontwikkelden. Bewijs dat het ribosoom niet voortkwam uit een RNA wereld, aldus Caetano-Anollés. Hij denkt dat in plaats hiervan een ribonucleo-eiwit wereld bestond, die veel lijkt op de tegenwoordige biochemie. Inderdaad is hier het nodige voor te zeggen: aminozuren komen in grote hoeveelheden voor in koolstofmeteorieten, nucleïnezuren slechts spaarzaam.

Hoe vermenigvuldigen eiwitten zichzelf?
Collega Russell Doolittle, van de University of California te San Diego, vindt het artikel interessant, maar begrijpt niet hoe proteïnes zichzelf katalyseerden, dat wil zeggen: hoe eiwitten andere eiwitten  maakten. Het enige mechanisme dat we kennen en dat een beetje in de buurt komt is dat van de beruchte hersenziekte Creutzfeld-Jacob, waarbij prionen, besmettelijke eiwitten, een gezonde eiwitvariant in een prion veranderen. Dit verandert echter de vouwwijze van het eiwit, niet de aminozuurvolgorde. RNA, daarentegen, kan zichzelf zonder hulp kopiëren. Het tweede krachtige argument voor de RNA-wereld hypothese.

Ook eiwitsynthese zonder ribosomen mogelijk
Caetano-Anollés erkent het belang van deze kwestie. Hij wijst echter op het feit dat de eiwitten die zonder ribosomen andere eiwitten in elkaar zetten, een complex, maar in alle organismen universeel proces dat toch heel specifieke eiwitten kan creëren – ouder zijn dan ribosomale eiwitten. Hij denkt daarom dat niet ribosomen, maar andere moleculen de eerste biologische machines waren die eiwitten in elkaar zetten.

Ook kunnen ribosomen op zichzelf staand niets. Ze zijn volledig afhankelijk van de aanvoer van t-RNA, dat zijn aminozuren waaraan de bijpassende drie RNA-nucleotiden  zijn geknoopt. Ribosomen “passen” voortdurend de puzzelstukjes op het m-RNA en pas indien deze overeenkomen, wordt de RNA losgestript van het t-RNA en het vrijkomende aminozuur aan de eiwitketting geregen. Dit merken van aminozuren gebeurt door eiwitten, niet door RNA, aldus de prof. Hij trekt hieruit de conclusie dat RNA moleculen begonnen als cofactoren (kleine hulpmoleculen) die hielpen bij de eiwitsynthese en deze verfijnden, wat zich uiteindelijk ontwikkelde tot de ingewikkelde ribosomale machinerie van nu.

Naar mijn mening een plausibel verhaal. Inderdaad verklaart dit een aantal merkwaardige dingen die voor mijn gevoel niet klopten in de RNA wereld hypothese. Voor mij nieuw was dat er ook non-ribosomale eiwitsynthese bestaat, maar als je er over nadenkt passen nu de stukjes op hun plaats. Kortom: een eye-opener.
Prettig is ook dat het artikel [2] niet achter een paywall zit. Het artikel vereist enige biochemische kennis, maar deze is op internet op te zoeken.

Bron:
1. Study of ribosome evolution challenges RNA world hypothesis, University of Illinois News Bureau (2012)
2. Ajith Harish, Gustavo Caetano-Anollés. Ribosomal History Reveals Origins of Modern Protein Synthesis. PLoS ONE, 2012

Zo werkt elektronholografie. Eindelijk een blik op de terra incognita van de eiwitwereld?

Holografische foto van een eiwit gemaakt

Een niet-destructieve methode om de zeer complexe eiwitten, de bouwstenen van het leven, te analyseren kan wel eens voor een omwenteling in de biologie zorgen.

Eiwitten: vorm nog steeds terra incognita
Wij allen bestaan vrijwel geheel uit eiwitten, opgelost in water. De overige stoffen, zoals suikers, vetten en minerale afzettingen die in ons, dieren en planten voorkomen, zijn door enzymen, eiwitten die biochemische reacties helpen verrichten, in elkaar gezet. In DNA staat de exacte code van eiwitten beschreven en het is door deze code dat DNA invloed heeft op de cel.

Zo werkt elektronholografie. Eindelijk een blik op de terra incognita van de eiwitwereld?
Zo werkt elektronholografie. Eindelijk een blik op de terra incognita van de eiwitwereld?

Hoe een eiwit zich gedraagt, wordt bepaald door de vorm. Als een actieve groep van een enzym zich op een andere plaats bevindt, gedraagt het enzym zich heel anders. Kortom: het is van uiterst groot belang dat we precies begrijpen welke vorm eiwitten hebben.

Precies dit bepalen is een extreem moeilijk karwei. Eiwitten zijn namelijk kralenkettingen, bestaand uit een lange keten aminozuren. Wat de volgorde van aminozuren is, kunnen we letterlijk lezen in het DNA en is dus niet zo moeilijk. Het probleem is dat we zeer lastig kunnen voorspellen hoe de eiwitketens zich opvouwen. Aminozuren hebben namelijk steeds wisselende zijgroepen, zo zijn er zure en basische, polaire en apolaire aminozuren. Aminozuren kunnen zo bijvoorbeeld een waterstofbrug vormen met een ander aminozuur op een heel andere plek in het eiwit, wat er voor zorgt dat het eiwit zich op een bepaalde manier op gaat vouwen.

Geen wonder dat onderzoekers hun toevlucht zoeken tot zeer zware supercomputers om de vorm te berekenen. Ook zijn er collaboratieve inspanningen van gamers die op speelse wijze de effectiefste eiwitten bepalen.

Veel gebruikte technieken zijn ook röntgenkristallografie, waarbij de eiwitten kristalliseren en vervolgens met röntgenstraling worden doorgemeten. Probleem: daar heb je miljoenen eiwitmoleculen voor nodig en het is geen sinecure deze uit een cel te zuiveren zonder ze ernstig te beschadigen. Ook vormen de meeste eiwitten geen kristallen. Ook hebben eiwitten de voor onderzoekers frusterende eigenschap van vorm te kunnen wisselen, wat röntgenkristallografie dan vrijwel onbruikbaar maakt.  Het gevolg: van welgeteld twee procent van de menselijke eiwitten is de vorm bekend.

Subtiel fotograferen van een eiwit
Menig onderzoeker zou er daarom een lief ding voor over hebben een eiwit te kunnen fotograferen, zoals we ook met grotere objecten zoals virussen of cellen kunnen. Helaas is een ijzeren kwantummechanische wetmatigheid dat een kleinere golflengte (dus grotere nauwkeurigheid) alleen met meer energie bereikt kan worden. Met als gevolg dat er weinig van het eiwit overblijft.

Jean Nicholas Longchamp en zijn collega’s van de Universiteit van Zürich in Zwitserland hebben een uitweg gevonden. Hun oplossing: eiwitten in beeld brengen met lage-energie elektronen die de eiwitten heel laten. Zelfs bij deze lage energie hebben elektronen nog een golflengte van rond een nanometer, ongeveer zeven waterstofatomen breed.  Voldoende voor holografie, 3D-fotografie dus. Ze hebben  een elektronhologram gecreëerd van ferritine – een voetbalvormig eiwit dat in zijn inwendige ijzeratomen transporteert in zo ongeveer alle levende wezens.

Hun techniek: het mengen van ferritine en koolstof nanovezels in water. Ze laten het water verdampen zodat de koolstof nanobuisjes met daaraan klevend de ferritinebollen. De verdamping vindt plaats in een soort zeef op nanoschaal, waarbij sommige nanobuisjes met hun ferritinelading over de gaten in de zeef hangen. Longchamp stuurde vervolgens een elektronenbundel door het gaatje in de zeef en bepaalde het interferentiepatroon – de standaard techniek om hologrammen te maken.

Het resultaat: het eerste atoomscherpe elektron-hologram van ferritine ooit, gemaakt op een niet-destructieve manier. Ze hebben zelfs hun afbeeldingen vergeleken met hoge-energie elektronfotografie en laten zien hoe vernietigend het bombardement met hoge energie-elektronen uitpakte.

Het belang van deze ontdekking is enorm. Zo kunnen we de structuur van een belangrijk deel van de 98% overige eiwitten bepalen, en snel. Hierdoor kunnen we veel effectievere en krachtiger medicijnen ontwikkelen en de diepste geheimen van het leven zelf achterhalen. Door deze techniek kan het medische en biologische onderzoek wel eens in een enorme stroomversnelling komen, want zoals gezegd, de functie van eiwitten en andere grote moleculen  is de missing link.

De groep wil nu de resolutie nog opkrikken, zodat ook individuele atomen in beeld komen. Het lijkt erop alsof de droom van behoorlijk wat biochemische onderzoekers nu uit gaat komen – met hopelijk veel krachtige neiuwe medicijnen  tot gevolg. Op deze manier zou je een complete menselijke cel kunnen simuleren in een supercomputer en kunnen een aantal bijzonder akelige ziekten eindelijk de wereld uit geholpen worden.

Bron
J.N. Longchamp et al., Non-Destructive Imaging Of An Individual Protein, ArXiv.org (2012)