In de houdgreep

Een eiwit uitrekken en kijken hoe het terugvouwt met en zonder chaperonne. Voor het eerst hebben fysici een idee hoe eiwitvouwing in de cel er aan toe gaat.

Rob van den Berg

Een eiwit dat zich verkeerd opvouwt kan zijn taak niet uitvoeren. Begeleidende eiwitten, zogeheten chaperonnes, helpen dit te voorkomen. Een groep Nederlandse onderzoekers onder leiding van Sander Tans van het FOM Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam heeft nu voor eerst opgehelderd hoe zij dat doen. Gewapend met een optische pincet en geholpen door computersimulaties volgden zij het vouwen van één enkel eiwit. Ze lieten zien hoe een chaperonne voorkomt dat het eiwit samenklontert – wat de directe oorzaak is van een ziekte als Alzheimer – of hoe een chaperonne het eiwit in een vorm houdt waarin het makkelijker door het celmembraan te transporteren is (Science, 30 november).

Volgens onderzoeksleider Tans betekent dit experiment een doorbraak: “Tot nu toe was de werking van chaperonnes erg moeilijk te meten, omdat al die miljarden eiwitten in een reageerbuisje zich allemaal door elkaar aan het opvouwen zijn. Door één enkel eiwit te isoleren, en daar experimenten aan te doen kunnen we de rol die de chaperonne speelt tijdens het vouwen stap voor stap volgen. Dat was tot nu toe nog niemand gelukt.” Tans werkte bij dit onderzoek samen met de groep van Arnold Driessen van de Rijksuniversiteit Groningen.

origamiwerkje

De ruimtelijke vorm van eiwitten bepaalt hun functie. Door de wisselwerking van aminozuren in de eiwitketen vouwt een eiwit zich razendsnel. Dat is een zeer subtiel origamiwerkje, waarbij makkelijk iets mis kan gaan. Chaperonnes leiden het vouwen in goede banen.

Wetenschappers bestuderen het vouwen van eiwitten weliswaar al jaren, onder meer ook in computersimulaties, maar tot nu toe zonder te kijken naar de invloed van chaperonnes, en dus in feite los van de biologische werkelijkheid. De door Tans en zijn collega’s ontwikkelde technieken maken het mogelijk om ook andere eiwitten en hun chaperonnes te bestuderen. Wellicht zal dat dan ook tot meer inzicht leiden in het ontstaan van ziektes als Alzheimer.

Promovendi Ruud van Leeuwen en Philip Bechtluft gebruikten een optische pincet, waarmee zij een eiwitmolecuul konden beetpakken. Tans: “Daarvoor moesten zij het eiwit eerst handen en voeten geven in de vorm van plastic bolletjes van een paar duizendste millimeter. Zo konden zij de ene kant van een eiwit vasthouden met een pipet en de andere met licht. Wanneer zo’n bolletje terechtkomt in het brandpunt van een laserbundel, wordt het daar door optische krachten gevangen. Door de lichtbundel steeds een stukje verder te bewegen, bewogen de bolletjes uit elkaar en trokken ze aan het molecuul. Zo konden zij het vouwwerkje van een eiwit eerst uit elkaar trekken, en vervolgens het spontane terugvouwen volgen door de kracht langzaam los te laten en te meten hoe de twee bolletjes weer naar elkaar toetrokken.”

Tans en zijn collega’s deden dit met het bacteriële eiwit MBP (Maltose Binding Protein) en voegden tijdens het uitvouwen en weer terugvouwen de chaperonne SecB toe. Dat MBP was ‘gebruiksklaar’ gemaakt door de groep van Arnold Driessen, die er door middel van genetische manipulatie onder meer voor zorgden dat aan beide uiteinden een bolletje vast kwam te zitten. Tans: “Omdat het eiwit zoveel kleiner is dan de twee bolletjes, moest er ook nog een stuk DNA tussen. Anders plakken de bolletjes aan elkaar, wat de metingen verstoort.”

Het ontvouwen bleek zich in verschillende fasen af te spelen. Tans: “De structuur van het actieve eiwit is bekend, maar we weten niet hoe die structuur verandert als we aan het eiwit gaan trekken. Daarvoor hebben we gebruik gemaakt van computersimulaties. De eiwitketen beschikt aan de buitenkant over een vijftal alfa-helices, een soort wenteltrappen, die bij een kracht van zo’n vijftien piconewton losschieten (een piconewton is ongeveer het gewicht van een rode bloedcel). Je houdt dan een kern over die pas bij een kracht van vijfentwintig piconewton openvouwt. Als je de bolletjes dan weer naar elkaar toebrengt neemt het eiwit weer zijn oorspronkelijke vorm aan.”

Tot verrassing van de onderzoekers gebeurde dat niet in aanwezigheid van de chaperonne. Die bindt zich aan het eiwit zodra dat is uitgerekt en voorkomt zo dat het zijn functionele vorm weer aanneemt. Tans: “Het is alsof de chaperonne de eiwitketen in een houdgreep neemt. Maar dat is maar tijdelijk. Als de chaperonne de keten weer loslaat blijkt hij toch nog gewoon te kunnen vouwen.”

potdicht

De chaperonne stelt het vouwen als het ware even uit. Dat heeft alles te maken met de functie die het MBP uitvoert. Het is in staat suikers te detecteren, waarvan de bacterie leeft. De detectie gebeurt buiten de cel, in de ruimte tussen celmembraan en celwanden. Tans: “Om het daar te krijgen moet het door een klein kanaal naar buiten worden getransporteerd. Op zich is dat al een wonder, want de celmembraan zit potdicht, zelfs voor kleine deeltjes als natriumionen. Alle uitwisseling vindt netjes gereguleerd plaats door minuscule poriën. In zijn actieve vorm is het eiwit erg stijf waardoor het veel energie kost om het open te breken en door de celwand te transporteren. Omdat de chaperonne het eiwit echter in een veel lossere toestand houdt, kan het veel makkelijker door zo’n porie worden geduwd. Zo kost het eiwittransport weinig energie.”

De onderzoekers lieten ook zien hoe chaperonnes voorkomen dat eiwitten die net in de cel zijn aangemaakt direct samenklonteren. De eiwitketen heeft op dat moment allerlei waterafstotende groepen aan de buitenkant, waardoor het energetisch aantrekkelijk is om dicht bij elkaar te gaan zitten en watermoleculen buiten te sluiten. Gezien de enorme hoge eiwitdichtheid in de cel zou dat ook direct gebeuren, wat funest is voor hun activiteit. Tans: “De chaperonnes houden de eiwitten bij elkaar vandaan en zorgen dat het vouwen ongestoord kan verlopen.”