elektronenfotografie

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.

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)