Uit een harde kern; Kristalgroei van eiwitten nagebootst met computer

Hoe eiwitkristallen groeien wordt nog slecht begrepen. Amsterdamse onderzoekers weten het proces sinds kort in de computer na te bootsen. En ook in het ruimtestation Mir gaat men het bestuderen.

AL BIJNA EEN EEUW lang is röntgendiffractie dè techniek om achter de structuur van ingewikkelde moleculen te komen.

Voorwaarde is wel dat er mooie kristallen van gegroeid kunnen worden. Alleen daarin zitten alle moleculen immers netjes in het gelid, zodat scherpe röntgenfoto's kunnen worden opgenomen.

Moleculair-biologen ontdekken voortdurend nieuwe eiwitten waar ze de structuur van opgehelderd willen zien. Zo slaagden onderzoekers er onlangs nog in om, na een speurtocht van bijna twintig jaar, de structuur van het eiwit bacteriorhodopsine op te helderen (W&O, 4 oktober). De driedimensionale structuur is vaak bepalend voor de eigenschappen van een eiwit. Helaas is het kristalliseren van een eiwit een nog altijd slecht begrepen proces. Zo slecht dat alleen met veel geduld en geluk goede resultaten worden behaald. Wellicht kunnen numerieke simulaties die onlangs zijn uitgevoerd door Daan Frenkel en Pieter Rein ten Wolde van het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam (AMOLF) in de toekomst uitkomst bieden.

Zij wisten het kristallisatieproces in de computer na te bootsen, waardoor ze meer inzicht kregen in de vraag welke omstandigheden voor de kristallisatie van eiwitten het gunstigst zijn (Science, 26 sept).

Het is niet eenvoudig om kristalgroei te simuleren. In werkelijkheid is de vorming van een groeikern een zeldzame gebeurtenis en het groeien van een eiwitkristal kan soms weken in beslag nemen. In de computer kan een veel minder groot volume worden bestudeerd - met veel minder moleculen - en daar komt nog eens bij dat het simuleren van processen die langer dan een tiental nanoseconden duren, zoveel computertijd vergt dat het onwerkbaar wordt. Daarom werd een aangepaste versie van de Monte Carlo-methode gebruikt, een techniek om op statistische wijze - bijna letterlijk door het gooien met een dobbelsteen - een proces in de tijd te volgen.

Zo kon een van de belangrijkste parameters die de kristalvorming bepalen, de zogenoemde vrije energie barrière, worden berekend. Deze bepaalt de kans dat een spontane fluctuatie leidt tot een groeikern. Uit de simulaties bleek dat onder bepaalde omstandigheden de 'eiwitdeeltjes' eerst samenklonteren tot een dichte vloeistofachtige druppel, die vervolgens van binnen uit vast wordt. Dit verschijnsel treedt alleen op als de aantrekkingskracht tussen de eiwitmoleculen een zeer bepaalde sterkte en dracht heeft. Experimenteel is het mogelijk deze condities te benaderen door op een slimme manier te spelen met de eigenschappen van het oplosmiddel, waardoor de interacties tussen de eiwitmoleculen kunnen worden beïnvloed.

Bijna op hetzelfde moment dat het werk van het AMOLF wordt gepubliceerd, is er een instrumentje op weg naar het ruimtestation Mir waarmee onderzoekers van het Marshall Space Flight Center van de NASA hopen ook experimenteel wat meer te weten te komen over hoe eiwitten groeien.

Daartoe is een flinterdunne meetcel ontwikkeld die gevuld kan worden met een lysozym-oplossing (een bacteriedodend eiwit, dat onder meer in eieren en traanvocht voorkomt) en steeds een van in totaal zes verschillende mengsels 'kristalgroei-opwekkers'. Het is de bedoeling om in de ruimte de dichtheid van de oplossing in de buurt van een groeiend kristal voortdurend in de gaten te houden.

Dat gebeurt met behulp van een Michelson-Morley interferometer. Daarmee werd aan het einde van de vorige eeuw aangetoond dat het licht geen een of ander medium (de 'ether') nodig heeft om zich voort te planten. Het experiment van Michelson en Morley was voor Einstein aanleiding om te postuleren dat de lichtsnelheid constant is. Met een dergelijke interferometer kunnen echter ook heel nauwkeurig verschillen in brekingsindex worden gemeten. Deze grootheid bepaalt in welke mate licht door een materiaal wordt afgebogen, iets wat onder meer afhankelijk is van de dichtheid ervan. Onderzoekers hopen zo informatie te kunnen verkrijgen over de manier waarop lokale concentratieverschillen ontstaan en hoe deze de kristalgroei beïnvloeden. Op aarde is dit experiment niet goed mogelijk, omdat er onder invloed van de zwaartekracht altijd convectie optreedt: die gedeelten van de vloeistof die wat lichter zijn, omdat ze minder opgeloste moleculen bevatten, verplaatsen zich naar boven ten opzichte van de zwaardere fracties.

Een ruimte-experiment zal dus uitkomst moeten bieden. Als alles goed gaat keert de module met de Interferometer for Protein Crystal Growth begin 1998 op de aarde terug, waarna met de analyse van zo'n 4.000 opnamen kan worden begonnen.