`Het gaat om de samenwerkende eiwitten'

Dankzij geavanceerde meetapparatuur krijgen biologen voor het eerst een beeld van de ingewikkelde reacties tussen eiwitten in de cel. Maar op die complexiteit is de huidige wiskunde nog niet berekend.

Niet de genen, maar de producten daarvan, de eiwitten, bepalen de gebeurtenissen in de cel. Nu dat besef in zijn volle omvang langzaam doordringt in de wetenschap, storten onderzoekers zich na genomics, de studie van genen, op proteomics, de studie van eiwitten. De Duitse fysicus Matthias Mann van de Universiteit van Odense in Denemarken werkt aan het voorfront van deze nieuwe discipline. Vorige week kreeg hij aan de Universiteit Utrecht een eredoctoraat. Op bezoek in het Utrechtse universiteitsgebouw `de Ponskaart' vindt hij tijd voor een gesprek over het belang van de kennis van álle eiwitten.

Mann: ``Tussen genen en eiwitten bestaat geen een-op-een-verband. Er gebeurt nog heel wat tussen de genetische blauwdruk en het uiteindelijke eindproduct, de eiwitten. Veel van die veranderingen onderweg kunnen niet uit de genen worden voorspeld. Daarom moeten we de eiwitten direct bestuderen. Het genoom is normaal gesproken altijd hetzelfde. Door te kijken naar eiwitten kunnen we veranderingen in de cel veel beter begrijpen, zoals tumorgroei. ``We onderkennen steeds vaker in de biologie dat de functie van een eiwit niet alleen wordt bepaald door de aminozuurvolgorde of de structuur van een eiwit, maar ook door veranderingen aan het molecuul die later optreden. Een bekend voorbeeld daarvan is fosforylatie, waarbij er aan het eiwit een fosfaatgroep wordt gekoppeld. Dat werkt als een aan/uit-schakelaar. Bijvoorbeeld: sommige eiwitten controleren de celdeling, maar als zij verkeerd gefosforyleerd zijn, dan blijft de cel zich continu delen. Dat heet kanker. Twee jaar geleden was er op dit vlak een eerste echte doorbraak in een directe anti-kankerstrategie. Novartis ontwikkelde Glivec, een medicijn dat gericht is tegen een vorm van leukemie. Dat is het eerste middel dat deze verkeerde fosforylatie remt. De farmaceutische industrie raakt hierdoor steeds meer geïnteresseerd in proteomics.

``Een tweede reden voor eiwitonderzoek is dat de blauwdruk van het genoom nog niet zo duidelijk is. De discussie over hoeveel genen de mens nu precies heeft duurt bijvoorbeeld nog altijd voort. Maar als we de eiwitten meten, dan weten we ook dat er een gen voor moet zijn, dus zo kunnen we dat herleiden. Dus het eiwitonderzoek helpt ook het genetische onderzoek vooruit.''

De laatste jaren hield Mann zich bezig met het identificeren van samenwerkende eiwitten in verschillende onderdelen van de menselijke cel. Zo onderzocht hij ondermeer de eiwitten van het menselijke centrosoom, een onderdeel van de cel dat onder meer actief is bij de organisatie van de celdeling (Nature, 4 december 2003). Hij ontdekte 23 nieuwe eiwitten in dit celorganel en nog eens 41 mogelijk nieuwe.

Een andere recente doorbraak boekte Mann in samenwerking met onderzoeksgroepen in Nijmegen en Leiden. Hij ontrafelde de eiwitsamenstelling van de verschillende levensstadia van de malariaprasiet Plasmodium falciparum, en identificeerde meer dan 2.400 eiwitten (Nature, 3 oktober 2002). De verschillende levensstadia van de parasiet bleken een zeer verschillende eiwitsamenstelling aan het celoppervlak te hebben. Dat is belangrijke informatie voor de ontwikkeling van vaccins tegen malaria.

Mann studeerde natuurkunde en wiskunde aan de Universiteit van Göttingen. Eind jaren tachtig werkte hij als promovendus in het lab van John Fenn aan de Yale University, die juist bezig was een nieuwe methode voor massaspectrometrie te ontwikkelen. Fenn ontwierp de zogeheten `electrospray massaspectrometer', een nieuw analyse-apparaat waarmee grote biomoleculen geïdentificeerd kunnen worden. De truc was de moleculen, bijvoorbeeld eiwitten, eerst in kleine fragmenten te splitsen met behulp van enzymen, en vervolgens de massa van de fragmenten te bepalen in een massaspectrometer. Uit de molecuulmassa kan de atoomsamenstelling van het fragment worden afgeleid. In 2002 ontving Fenn voor zijn ontdekking de Nobelprijs Chemie.

Mann: ``Alle eer gaat naar John Fenn, hij was het grote genie achter de uitvinding, zijn prijs straalde op het hele vakgebied af.'' Mann blijft bescheiden, maar duidelijk is dat hij een cruciale bijdrage leverde. De eerste versie van Fenns apparaat produceerde een grafiek met een spectrum van aan elkaar geregen piekjes die de de gemeten massa's van de fragmenten voorstellen. Om de samenstelling goed te kunnen bepalen zouden eigenlijk de individuele piekjes zichtbaar moeten zijn. De jonge promovendus Mann schreef in twee dagen tijd een softwareprogramma dat dat cruciale onderscheid kon maken. De publicatie die eruit volgde (Science, 10 juni 1989) is nog altijd een van de meest geciteerde in het veld van eiwitonderzoek.

Manns benoeming tot eredoctor in Utrecht beoogt de oprichting van het Netherlands Proteomics Center (NPC) luister bij te zetten. Dit nieuwe initiatief, gecoördineerd door de Universiteit Utrecht, kreeg onlangs een overheidssubsidie van 25 miljoen euro. Met een budget van 62 miljoen euro storten zes Nederlandse universiteiten en een handvol bedrijven zich de komende vijf jaar op het eiwitonderzoek. Verdeeld over de 56 onderzoeksprojecten zullen er 130 onderzoekers binnen het NPC werken.

Als rechtgeaarde fysicus is Mann gek op apparaten: ``Mijn grootste probleem is om me door die dikke stapels biologische literatuur heen te werken.'' Zijn lab is altijd uitgerust met de nieuwste spullen, en als iets nog niet bestaat, dan maakt hij het zelf. Momenteel doet hij zijn onderzoek met een uit de kluiten gewassen massaspectrometer waaraan een supermagneet van 1,25 ton is gekoppeld, nodig voor nog preciezere metingen.

Mann: ``Tien jaar geleden bouwden we onze apparatuur helemaal zelf. Nu bestellen we bij gespecialiseerde bedrijven. Maar nog altijd passen wij een hoop dingen aan volgens onze eigen wensen. Het is net als de racewagens in de formule 1, we tunen het apparaat volledig zodat het nóg beter werkt. Ook sleutelen we veel aan de software. Daar zitten belangrijke verschillen met wat je kunt kopen van de fabrikant.''

Wat is de kleinste hoeveelheid eiwit die u nog kunt meten?

Mann: ``De massaspectrometrie heeft de laatste tijd een spectaculaire ontwikkeling doorgemaakt. Dit veld is een beetje vergelijkbaar met de computerbusiness, ieder jaar krijg je weer betere hardware. De massaspectrometer is in de laatste twee jaar meer dan een miljoen maal nauwkeuriger geworden. De minimale hoeveelheid eiwit die we kunnen detecteren bestaat nog altijd uit een miljoen moleculen. Het is nog niet mogelijk om de eiwtten uit één cel te identificeren. Eigenlijk moeten we altijd wel een of meer kweekbakjes van cellen samenvoegen om genoeg eiwit te verkrijgen voor de analyse.''

Is het niet omslachtig geweest om eerst naar de genen en nu pas naar de eiwitten te kijken? Is die genetische kaart nog wel nodig als alle eiwitten bekend zijn?

``Het genoom hebben we voortdurend nodig. Dankzij de genetische informatie kunnen we nu ook de eiwitten opsporen. We analyseren slechts kleine stukjes van de eiwitten. Daarom kan onze massaspectrometrie ook zo snel en gevoelig zijn, want we hoeven niet het hele eiwit van het begin tot het eind te identificeren. We hoeven slechts een klein kenmerkend fragmentje te analyseren, en kunnen dat vervolgens via geavanceerde software matchen aan het genoom. Het werkt als een vingerafdruk. Als we het genoom niet hadden, dan zou proteomics in het geheel niet mogelijk zijn. Het genoom is een opstapje voor het eiwitonderzoek.''

Het eiwitonderzoek hanteert een heel ander principe dan de genetische benadering. Daar heb je één gen en één functie. Maar in uw visie heb je voor één functie vele eiwitten nodig.

``De genetische benadering, een gen verstoren en kijken wat er gebeurt, is ook zeer krachtig. Maar als je eiwitten bestudeert heb je het voordeel dat je kunt kijken hoe de eiwitten samenwerken als een functionele groep. Dat kan in serie, zoals in signaalroutes die een signaal van de oppervlakte van de cel transporteren naar de celkern of in een eiwitcluster, waarin de eiwitten samenwerken als een moleculaire machine.''

Kunt u een schatting geven van hoeveel we al weten van het menselijk proteoom?

``Dat is moeilijk. Het is niet zo dat als je één eiwit geïdentificeerd hebt, dat je dan vol goede moed door kunt naar het volgende. Het gaat ons altijd om de context waarin een eiwit voorkomt. Zelfs als alle eiwitten uit een cel bekend zijn, betekent dat nog niet dat we klaar zijn. Om de functie ervan te begrijpen willen we namelijk weten welke bindingspartners een eiwit heeft, hoe het is gemodificeerd, etcetera. Je kunt het vergelijken met het identificeren van woorden in een nieuwe taal. Aan alleen de woorden heb je niets, pas in de context van een zin of een verhaal krijgen zij betekenis. Het zal nog heel wat jaren kosten voordat we zo ver zijn.''

Maar wat is de stand van zaken op dit moment?

``Wij hebben ons bezig gehouden met het ontrafelen van verschillende organellen en complexen in de cel, zoals mitchondriën, het centrosoom, de nucleolus en een aantal andere organellen. We hebben de eiwitten in de verschillende complexen gecatalogiseerd. Dat is iets wat biologen al meer dan honderd jaar hebben willen doen. Ze hebben dit soort structuren een eeuw geleden al onder de microscoop gezien, maar men wist niet waaruit ze bestonden. Nu beginnen we dat wel te begrijpen. Die onderneming moet binnen twee of drie jaar klaar kunnen zijn; we zijn nu ongeveer halverwege.

``De volgende fase, bestuderen hoe eiwitten in de cel samenwerken met andere eiwitten, duurt ook nog vijf tot tien jaar, afhankelijk van hoe gedetailleerd je vraagstelling is. Daarnaast rest nog de catalogisering van alle verschillende eiwitten die actief zijn in de pak hem beet 200 verschillende celtypes van het menselijk lichaam.

``Het in kaart brengen van alle eiwitten in de menselijke cel zal vijf tot tien jaar onderzoek vergen. Maar het volledig doorgronden van de functionele aspecten, de routes in de cel, alle modificaties aan eiwitten, dat zal nog wel wat langer op zich laten wachten. Er zijn nog een hoop menselijke eiwitten waarvan we geen enkele functie kennen. En achteraf bekeken hebben we dat in het verleden genegeerd. Dan zei men als we dit gen uitschakelen in de muis dan mist hij dat eiwit en dan gaat hij dood of wordt ziek. Maar nu pas realiseren we ons de complexiteit van de processen die zich werkelijk in de cel afspelen.''

Bent u als wetenschapper een reductionist of een holist?

``Het is moeilijk te zeggen of ik mij vooral tot het een of het ander aangetrokken voel. Ik denk dat de reductionistische benadering ongelooflijk krachtig is. Tegelijk is de holistische benadering ongelooflijk belangrijk, maar die is ook erg moeilijk. Pragmatisch ben ik een reductionist zolang dat werkt. Doe eerst de makkelijke dingen, dan kom je een heel eind. Maar toch blijkt dat niet voldoende. Soms zijn we gedwongen om alle verschillende componenten tegelijk in ogenschouw te nemen, en daar moeten we niet voor terugschrikken omdat het zo veel ingewikkelder is. Dus in eerste instantie ben ik een reductionist en als het niet anders kan ben ik een holist.''

Maar het wordt alleen maar ingewikkelder. Dus uw toekomst is holistisch?

``Ja, dat denk ik toch wel. Een van de meest interessante vraagstukken die nu speelt in de moleculaire biologie is hoe we enige grip kunnen krijgen op al die verschillende processen die zich tegelijkertijd in de cel afspelen. Dat is ongelooflijk ingewikkeld. Om dat te doorgronden moeten we proberen dat samen te vatten in wiskundige of computermodellen. Nu proberen we dat in ons hoofd bij te houden, maar dat wordt te complex. Maar hoe dat zou moeten is nog een open vraag. We hebben in de moleculaire biologie een soort Einstein nodig om een grote doorbraak te forceren en ons de weg te wijzen. We hebben wel differentiaalvergelijkingen en Bayesiaanse netwerkmodellen bijvoorbeeld, maar die brengen ons nergens in dit geval. We missen de goede wiskunde om de hele cel te modelleren. Dat oplossen zal een grote uitdaging zijn voor de volgende generatie.''