Moleculaire motortjes

Zelfs identieke moleculen verschillen in hun prestaties. Nu fysici moleculaire motortjes doorgronden, komen verrassende eigenschappen aan het licht.

Elke levende cel zit boordevol met de meest vernuftige machientjes: hier wordt een stuk DNA gekopieerd en even verderop schuiven een ribosomen langs een streng RNA om een eiwit te produceren dat weer elders in de cel nodig is. Geen nood, speciale transporteiwitten pakken het op en brengen het op de plaats van bestemming. Dat leven bewegen is, wordt nergens beter geïllustreerd.

Twee jonge Nederlandse natuurkundigen, Sander Tans en Gijs Wuite, proberen uit te zoeken hoe al die doelgerichte beweging tot stand komt en hoe die moleculaire motortjes precies werken. De afgelopen jaren brachten ze elk een periode door in de groep van Carlos Bustamante aan de universiteit van Berkeley. Wuite verbleef er meer dan vijf jaar om te promoveren en Tans kwam twee jaar op bezoek om het vak te leren, want het is een hele kunst om individuele moleculen af te beelden en vooral om ze te manipuleren. Bustamante geldt hierin als één van de grootste deskundigen ter wereld. Het onderzoek heeft de laatste paar jaar een ongekend snelle ontwikkeling doorgemaakt. Doordat natuurkundigen afzonderlijke moleculen kunnen oppakken en eraan kunnen trekken is veel duidelijker geworden hoe deze hun taken uitvoeren en blijken zelfs identieke moleculen niet altijd tot dezelfde prestaties in staat.

Je kunt niet zomaar een molecuul beetpakken, daarvoor moet je het eerst handen en voeten geven in de vorm van plastic bolletjes van een paar duizendste millimeter. Die kun je vasthouden met een pipet een dun glazen buisje of met licht. Wanneer kleine objecten namelijk terecht komen in het brandpunt van een laserbundel, worden ze daar door optische krachten gevangen. Wuite: ``Als je een DNA-molecuul aan twee kanten voorziet van zo'n bolletje, zou je er een knoop in kunnen leggen of op allerlei manieren aan gaan trekken. Helemaal zonder risico is dat niet want bij een laserpincet concentreer je behoorlijk wat energie in het brandpunt: als het molecuul daar teveel van absorbeert kan het kapot gaan.''

Mal

Wuite, die sinds een jaar een eigen groep heeft binnen de afdeling Fysica van Complexe Systemen aan de VU in Amsterdam, onderzocht twee belangrijke enzymen, RNA- en DNA-polymerase (Science, 31 maart 2000 en Nature, 2 maart 2000). Het eerste vertaalt een stuk DNA in RNA, het andere maakt er een kopie van. Het zijn allebei moleculaire motortjes: ze bewegen zich langs het DNA dat als mal dient, waarbij andere eiwitten de DNA-helix ontrollen en splitsen. Zoals bijna alle processen die zich in de cel afspelen fungeren nucleotiden als ATP hierbij als brandstof. Wuite: ``Beide polymerases zijn al uitgebreid bekeken met allerlei biochemische technieken. Maar in dat geval kijk je naar vele moleculen tegelijkertijd, en zie je dus het gemiddelde gedrag. Wij konden zien hoe een enkel enzym zich voortbeweegt.''

Wuite onderzocht hoe de snelheid van het DNA polymerase afhangt van de kracht waarmee er aan het stukje DNA wordt getrokken. Wuite: ``Het enzym maakt van enkelstrengs DNA een nieuw dubbelstrengs stuk. We konden precies zien hoe snel het motortje daarbij langs het DNA schiet, met snelheden van zo'n 100 basen per seconde. Dat kopiëren gaat met horten en stoten, een polymerase zet zich vast op de keten, begint te vertalen en valt er weer af, waarna een volgende het werk overneemt.''

Heel verrassend was bovendien dat niet elk enzym even snel werkt en dat sommige minder pauzes nemen dan andere. Het mooiste was wel dat het enzym gefopt kon worden. Wuite: ``Na elke base die het enzym toevoegt controleert het of er geen schrijffouten zijn gemaakt. Dat doet het doordat het zich als een vuist om de DNA keten sluit. Het heeft ook echt de vorm van een hand, waarvan de vingers kunnen bewegen. Wanneer er een verkeerde base is ingevoegd, kan de hand geen goede vuist maken. Het enzym opent zich dan en gooit het uiteinde van het gekopieerde DNA naar buiten, waar de foute base wordt verwijderd. Dan pas gaat het kopiëren verder.''

Als het DNA echter onder een voldoende grote spanning wordt gezet, `denkt' het polymerase ook dat er iets fout is gegaan. Resultaat is dat het zijn eigen werk begint af te breken. ``We hadden zo een prachtige controle over de activiteit van het enzym en konden heel makkelijk experimenten doen. Wanneer je metingen hebt gedaan bij lage spanning en het enzym is aan het eind gekomen, zet je het geheel onder hoge spanning, waardoor het zijn net gemaakte DNA openritst en wij weer opnieuw konden beginnen'', aldus Wuite.

Zo kon de activiteit heel nauwkeurig worden gemodelleerd en konden resultaten van eerdere bulk-studies worden verklaard. Wuite: ``Dat was echt heel belangrijk, want de biologen en biochemici geloofden aanvankelijk niet dat enzymen zich af en toe anders gedragen en deden dat af als een artefact van onze metingen. Gelukkig is hun weerstand in de loop der tijd wel verdwenen en stellen ze zich nu veel opener op.''

Vorige maand publiceerde Nature (18 oktober) de resultaten van het werk dat Tans in Berkeley heeft gedaan. Hij onderzocht een moleculaire motor van een virus genaamd 29. Wanneer dit virus een cel heeft geïnfecteerd, gaat het zich vermenigvuldigen. Onderdeel van dat proces is dat het nieuw aangemaakte virus-genoom moet worden verpakt in een eiwitmantel: daarvoor beschikt het virus vlakbij de ingang over een speciaal motortje dat het DNA naar binnen takelt. Niemand was er tot nu toe in geslaagd om daar enkele-molecuul metingen aan te doen.

Tans: ``Het vastzetten van een stuk DNA aan een bolletje behoort tegenwoordig tot de standaardtechnieken, maar om hetzelfde voor elkaar te krijgen met het eiwitmantel moesten we zelf iets ontwikkelen. Dan is er nog het probleem dat als je DNA en mantel eenmaal kunt vastpakken, je er ook voor moet zorgen dat het DNA de ingang kan vinden.'' Maandenlang hadden zijn voorgangers tevergeefs geprobeerd om de virusmantels zover te krijgen het DNA op te pikken, totdat Tans een list bedacht.

Hij liet het virus zelf zijn DNA opzoeken, maar gaf het daarvoor maar een heel klein beetje van het benodigde ATP. Bovendien zette hij het binnenhalen van het DNA stil door na korte tijd een op ATP lijkend molecuul toe te voegen, dat wel wordt gebonden, maar niet als brandstof kan fungeren. Tans: ``Zo bevroren we als het ware de mantel-DNA complexen en konden we er daarna rustig de bolletjes aanzetten, eentje aan het virusmantel, de ander aan het DNA. Pas toen we weer ATP toevoegden ging het binnenhalen verder. Het was echt een schitterend moment toen we onder de microscoop de twee bolletjes elkaar zagen naderen.''

60 atmosfeer

De virusmotor bleek over ongekende eigenschappen te bezitten. Het is sowieso de sterkste motor die ooit is onderzocht: je moet met een kracht van 57 piconewton het DNA terugtrekken om de motor te laten stilstaan. Maar zo'n krachtige motor is nodig ook, want het DNA moet in een heel kleine ruimte worden geperst. Dat gaat steeds moeilijker naarmate het eiwitomhulsel voller raakt. Tans: ``Als het DNA helemaal binnen is, is de motor bijna tot stilstand gekomen en heeft zich een druk opgebouwd van 60 atmosfeer, ongeveer de druk in een gascylinder. Dat vraagt behoorlijk wat van de dunne eiwitwandjes, je kunt berekenen dat een sterkte moeten hebben vergelijkbaar met die van een aluminiumlegering. Met deze ontdekking kunnen we ook verklaren hoe dit virus later een bacterie infecteert. Door de hoge druk in de mantel schiet het DNA bij de fusie van het virus met de bacterie met grote kracht naar binnen.''

De komende maanden wil Wuite proberen meer te weten te komen over de virusmotor van 29. Wuite: ``We denken dat de motor draait. Om dat te bewijzen gaan we er een fluorescerend label aan plakken en dat met de microscoop in beeld brengen.''

Het is duidelijk dat er nog een heel onderzoeksgebied openligt. Tans: ``Er zijn zoveel ongeëffende paden. Dat maakt het niet eenvoudiger om de veelbelovende onderwerpen eruit te pikken, maar tegelijk is de kans op nieuwe ontdekkingen ook groter.'' Met zijn eigen groep op in het FOM Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam gaat hij nu op het niveau van enkele moleculen kijken naar het transport van eiwitten door membranen, iets wat nog nooit eerder is gedaan. Eiwitten bevatten een code die fungeert als een soort postadres. Op de juiste plek in de cel wordt deze code herkend, waarna een moleculaire motor het eiwit ontvouwt en als een sliert door een kanaal heen perst. Aan de andere kant vouwt het eiwit zich weer spontaan in zijn oorspronkelijke driedimensionale vorm.

Tans: ``Biologen willen graag precies begrijpen waarom één bepaald molecuul in één bepaald organisme doet wat het doet. Ze reageren geschokt als je voorstelt om ook eens naar een virus te kijken in plaats van een bacterie. Wij zijn echter op zoek naar algemene principes die gelden voor een hele familie van moleculen of voor een bepaald biologisch proces. We vullen elkaar prachtig aan.''