Ritsen met enzymen; OPTISCH PINCET BEPAALT KRACHTEN TUSSEN BIOMOLECULEN

LEVEN IS bewegen, ook op moleculaire schaal. Bij talrijke processen die zich in cellen afspelen spelen bewegende eiwitten een rol. Zo wordt de universele energiedrager ATP gesynthetiseerd door een ingenieus eiwitcomplex dat als een klein elektromotortje staat rond te tollen en schiet het RNA-polymerase als een soort leeskop langs de te kopieren DNA-streng.

Zelfs het (ont)spannen van onze spieren vindt plaats doordat twee eiwitten zich aan elkaar optrekken. Sinds een paar jaar kan de werking van deze bio-mechanische systemen niet alleen in beeld worden gebracht, maar kan er ook aan worden gemeten. Het (voorlopige) hoogtepunt van deze ontwikkeling werd onlangs bereikt toen een groep Amerikaanse onderzoekers er in slaagde om zowel de kracht als de snelheid te bepalen van een enzym in werking (Science, 30 oktober 1998).

Voordat er aan een molecuul kan worden getrokken, moet er eerst een klein (plastic) bolletje aan vast worden gemaakt. Dat maakt het in de eerste plaats heel gemakkelijk om het met een optische microscoop te volgen. Onder normale omstandigheden heeft dit natuurlijk wel zijn beperkingen, omdat het niet mogelijk is om 'kleiner' te kijken dan een duizendste millimeter. Wanneer echter gebruik wordt gemaakt van slimme optische technieken, kunnen de bewegingen van afzonderlijke eiwitten toch tot op eentiende nanometer worden gevolgd.

Het bolletje kan verder worden gemanipuleerd door het te vangen in het brandpunt van een sterk gefocusseerde laserbundel. Met zo'n optische pincet werd in het begin van de jaren negentig al de beweeglijkheid van zaadcellen gemeten. Maar zelfs de mechanische eigenschappen van afzonderlijke moleculen kunnen worden ontraadseld: wanneer het molecuul aan een kant stevig op de ondergrond wordt vastgezet, kan er aan de andere kant aan worden getrokken met behulp van het bolletje dat daar weer is vastgemaakt. Zo wordt het uitgerekt en kan bijvoorbeeld de elasticiteit worden gemeten.

Een jaar geleden slaagden onderzoekers van de Ecole Normale Superieure in Parijs er zelfs in om de krachten te meten die nodig zijn om de twee complementaire strengen van een DNA-molecuul van elkaar te ritsen, iets wat normaal gesproken natuurlijk ook de taak is van een enzym. Waar tijdens de metingen honderden basen tegelijk van elkaar werden gescheiden, doet zo'n enzym dat veel subtieler. Desondanks kon duidelijk onderscheid worden gemaakt tussen stukken DNA met veel guanine en cytosine (die via drie waterstofbruggen met elkaar verbonden zijn) en stukken die overwegend bestonden uit de andere twee basen, adenine en thymine, die slechts op twee plaatsen aaneen zijn geklonken.

De echte werkpaarden zijn de motoreiwitten. Die zorgen er niet alleen voor dat alle organellen in de cel netjes op zijn plaats komen te liggen, maar zijn er bijvoorbeeld ook verantwoordelijk voor het samentrekken van onze spieren, en dus voor al onze bewegingen. In de afgelopen jaren is het mechanisme dat hieraan ten grondslag ligt grotendeels opgehelderd. Met ATP als brandstof stappen de motoreiwitten langs elkaar heen, waarbij ze elke keer een kracht uitoefenen van maar een paar piconewton (een piconewton is ongeveer gelijk aan het gewicht van een rode bloedcel). Alleen door gebruik te maken van een optische pincet konden dergelijke minuscule krachten worden bepaald.

Een nog veel verfijnder experiment werd onlangs uitgevoerd aan het RNA-polymerase, het enzym dat de genetische informatie die in het DNA ligt verborgen vertaalt in RNA. Dit was aanvankelijk niet eens als een moleculaire motor beschouwd, maar uit eerder werk was al gebleken dat het tot minstens even veel in staat is. Om het volledig tot stilstand te brengen bleek een kracht nodig te zijn van zo'n 14 piconewton. Helemaal vreemd is dat niet, want om bij de basen te komen die moeten worden afgelezen, moet het DNA vanuit een bijna ineengevlochten toestand worden ontrold en opengeritst. En daar is veel kracht voor nodig.

Om die kracht tijdens het overschrijven van de code te kunnen meten werd het enzym vastgezet op een microscoopglaasje en 'gevoed' met een streng DNA. Hieraan was een bolletje bevestigd dat door middel van een optische pincet kon worden bewogen. Waar het RNA-polymerase zich dus normaal gesproken langs de DNA-keten beweegt, werd in dit geval de DNA-keten langs het polymerase getrokken.

Terwijl dat plaatsvond, werden de snelheid en de door het enzym uitgeoefende kracht nauwkeurig gemeten. Wanneer de pincet te veel weerstand bood, schoot het enzym vijf tot tien baseparen naar achteren-waarschijnlijk onder invloed van een structuurverandering-om pas weer terug te keren naar de plaats waar het was gebleven zodra de spanning was afgenomen. De auteurs vergelijken dit gedrag met de manier waarop we een vastzittende rits plegen toch dicht proberen te krijgen: even een stukje terug en dan met volle vaart naar boven. Nog geheel onduidelijk is de manier waarop het enzym zo'n ingewikkelde beweging precies uitvoert en ook wat voor reacties daaraan ten grondslag liggen.