Het pad van het licht; Structuur van bacteriorhodopsine opgehelderd

Na een speurtocht van bijna twintig jaar hebben twee groepen op bijna dezelfde dag de eiwitstructuur van bacteriorhodopsine opgelost.

HET BEGON ZO langzamerhand een obsessie te worden. Steeds meer eiwitten gaven hun structuur prijs, maar de atomaire bouw van één van de meest interessante eiwitten van de laatste jaren was nog altijd niet echt opgelost: het bacteriorhodopsine (bR). Het wordt ook wel het 'andere' fotosynthetische systeem genoemd. Dit prachtige, diep-paars gekleurde eiwit werd begin jaren zeventig ontdekt in het celmembraan van een in zeer zout water levende bacterie, Halobacterium salinarium. Al gauw werd duidelijk dat het bR onder invloed van licht een ingewikkelde chemische reactiecyclus doorloopt, met als resultaat dat een paar positief geladen waterstofionen van binnen de cel naar buiten worden getransporteerd. Zo ontstaat er een spanningsverschil - net als in een batterij - dat kan worden gebruikt om alle noodzakelijke celprocessen te laten verlopen.

Het bacteriorhodopsine fungeert dus in feite als een soort zonnecel, maar dan wel met een efficiëntie van meer dan vijftig procent. Inmiddels hebben talrijke onderzoeksgroepen ter wereld er voor gezorgd dat veel van de geheimen van dit unieke eiwit konden worden opgehelderd. Aanvankelijk concentreerde alle aandacht zich op het retinal, een op vitamine A lijkende stof die het eiwit zijn kleur verschaft en die ook voorkomt in het lichtgevoelige eiwit rhodopsine in ons oog. Het werd blootgesteld aan zo ongeveer elke analytische techniek die beschikbaar was, waardoor precies duidelijk werd wat er zich allemaal afspeelt na de excitatie met licht: vanaf de eerste paar femtoseconden tot aan de laatste milliseconde.

Hierdoor verschoof de aandacht langzamerhand naar de eiwitketen zelf. Onlangs werden met behulp van een naaldmicroscoop de vormveranderingen geregistreerd die het eiwit tijdens de reactiecyclus ondergaat. Wanneer met behulp van licht de 'retinal-schakelaar' werd omgezet, bleek er een miniatuur schokgolf door het eiwit te gaan. Voor het eerst kon de activiteit van een eiwit worden gevoeld (Proceedings of the National Academy of Sciences, 22 juli 1997).

Hoe vernuftig zo'n experiment echter ook is, de cruciale vraag blijft toch welke aminozuren binnen in het eiwit nu precies een rol spelen bij het transport van de waterstofionen. Daar was met name door de inspanningen van Ghobind Khorana van het Massachusetts Institute of Technology al veel over bekend. Khorana ontrafelde namelijk de genetische code van het eiwit en kon, door deze op specifieke plaatsen te veranderen, talloze mutanten maken. Door de activiteit van dergelijke mutanten te onderzoeken en te vergelijken met die van het oorspronkelijke eiwit, konden een aantal cruciale aminozuren worden geïdentificeerd. Maar alleen door de structuur met voldoende hoge resolutie op te helderen, kon elke twijfel worden weggenomen. En daar zat nou net het probleem. Om met röntgenstralen een goed plaatje te kunnen opnemen, zijn voldoende grote kristallen nodig. Alleen daarvan kunnen binnen redelijke tijd duidelijke signalen worden verkregen. Maar wat men ook probeerde, het bR bleek met geen mogelijkheid in het gareel te kunnen worden geduwd.

Dat is waarschijnlijk een direct gevolg van het feit dat het normaal gesproken is ingebed in het celmembraan. De vetzuren waar het membraan grotendeels uit bestaat, schermen het ten dele af van het water en houden het in een actieve vorm. Zodra het eiwit die steun verliest, ontvouwt het zich en raakt het gedesorganiseerd. Daarom konden er tot nu toe alleen maar hele dunne, platte kristallen worden gevormd, die praktisch ongeschikt waren voor röntgendiffractie.

Gelukkig is röntgendiffractie niet de enige techniek waarmee moleculaire structuren kunnen worden onderzocht. Ook elektronen worden daar al heel lang met veel succes voor gebruikt. Het grote voordeel daarvan is dat er juist heel dunne kristallen voor nodig zijn, al is aan de andere kant de resolutie - een maat voor de kleinste details die nog kunnen worden waargenomen - iets minder goed. Door de monsters echter tot vlak bij het absolute nulpunt af te koelen, kunnen wel degelijk duidelijke plaatjes worden verkregen. Met name Richard Henderson van de University of Cambridge heeft er veel aan bijgedragen dat het beeld van het bR een stuk duidelijker is geworden. Het blijkt te bestaan uit zeven alpha-helices - een soort wenteltrappen - die dwars door het membraan steken, en die een waterafstotende holte omsluiten waarin het retinal bivakkeert. Helaas was de resolutie van 3.5 Ångstrom niet voldoende om alle atomen duidelijk in beeld te brengen. Ook de posities van een aantal essentiële watermoleculen die een belangrijke rol spelen bij het transport van waterstofionen, waren niet duidelijk.

KUNSTMATIG ROOSTER

Dat probleem is nu opgelost door het werk van een aantal Franse en Zwitserse biologen, die een methode ontwikkelden om het bR te kristalliseren (Science, 12 september). Zij maakten daarvoor gebruik van een kunstmatig rooster van vetzuren, waarin het bR tijdens het kristallisatieproces wordt opgevangen. Daardoor behield het zijn activiteit en kon het zelfs maanden worden bewaard. De kristallen waren echter nog altijd niet erg groot - niet meer dan een paar tientallen microns - wat de sterkte van de röntgendiffractiesignalen erg negatief zou beïnvloeden. Maar ook daar werd een oplossing voor gevonden. In Grenoble worden namelijk in het synchrotron van het ESRF (European Synchrotron Research Facility) zeer sterke röntgenbronnen gecreëerd, die bovendien heel nauw kunnen worden gefocusseerd. Daarmee kon eindelijk een scherp plaatje van het protonpad worden verkregen, nu met een resolutie van 2.5 Ångstrom.

Bijna tegelijkertijd blijkt nu ook een Japanse groep het elektronendiffractieplaatje weer wat meer te hebben opgescherpt tot een resolutie van 3.0 Ångstrom. Zij publiceerden hun resultaat, dat het Frans-Zwitserse beeld overigens grotendeels bevestigt, onlangs in Nature (11 september). Na een speurtocht van bijna twintig jaar is de structuur van het bR dus bijna op dezelfde dag met behulp van twee verschillende technieken definitief opgelost.