Een enkel eiwit gevist uit een zee van moleculen

Nanobiologie Onderzoekers uit Delft hebben een val ontwikkeld om individuele eiwitten te kunnen bestuderen. Met hulp van dna-origami.

Impressie van het gevangen eiwitmolecuul in een gat (een nanoporie) dat wordt afgesloten met een dna-bolstructuur.
Impressie van het gevangen eiwitmolecuul in een gat (een nanoporie) dat wordt afgesloten met een dna-bolstructuur. Beeld Cees Dekker Lab/SciXel

Een enkel eiwit kan met een ‘val’ gevangen geworden, zodat de beweging en vorm ervan in detail kunnen worden bestudeerd. Dat laten onderzoekers aan de Technische Universiteit Delft in samenwerking met de Technische Universität München zien in een nieuwe studie in Nature Nanotechnology. Uit een zee van moleculen wisten de onderzoekers een enkel eiwit vast te zetten in een gat. Alleen moleculen met een bepaalde vorm en massa passen in dat gat.

Eiwitten zijn enorme moleculen die in een cel taken uitvoeren: ze katalyseren reacties en transporteren moleculen, onder andere. De manier waarop een eiwit is gevouwen en beweegt bepaalt de functie. Maar hóé eiwitten vouwen en bewegen, is moeilijk te onderzoeken voor grote hoeveelheden eiwitten tegelijkertijd – dan wordt alleen gemiddelde en grootschalige beweging gemeten. Wie het lukt om een individueel eiwit te bestuderen, in plaats van duizenden tegelijkertijd, kan gedrag gedetailleerd in kaart brengen. Zo kan het in de toekomst makkelijker worden om gericht medicijnen te ontwerpen.

Vastzittende dna-bol

De Duitse en Nederlandse onderzoekers ontwikkelden een ‘val’ die uit twee onderdelen bestaat. Het eerste is een membraan waarover een elektrisch stroomveld staat, met daarin een ‘nanoporie’. Dat is een gat van ongeveer tien nanometer (tien miljoenste millimeter) groot. De elektrische stroom over het membraan trekt het tweede onderdeel, een bolvormig dna-molecuul, het gat in. Zodra de dna-bol in het gat vastzit, zuigt die als een spons water met daarin moleculen naar zich toe en laat die deels door (dankzij elektro-osmotische kracht). Slechts één eiwit wordt in het gat gevangen; nu wordt het gat geblokkeerd door zowel de dna-bol als een eiwit. Andere moleculen kunnen niet meer door het gat heen bewegen.

De onderzoekers laten zien dat de eiwitval goed bruikbaar is om losse eiwitten te onderzoeken. Ze meten hoeveel geladen deeltjes nog door het gat heen kunnen bewegen, voor- en nadat het gat geblokkeerd is door een eiwit. Hoe groter het eiwit, hoe minder geladen deeltjes door het gat stromen. En ook als het eiwit van vorm verandert, verandert die stroom; zo kunnen onderzoekers de beweging van een enkel eiwit bestuderen. Bovendien blijft een eiwit urenlang in de val zitten; dat is ruim een miljoen keer langer dan voorheen mogelijk was.

Smiley en Mona Lisa

De dna-bol die het gat blokkeert is bijzonder: het is een dna-origamistructuur. In 2006 gebruikte de Amerikaanse onderzoeker Paul Rothemund dna als bouwsteen om allerlei vormen te maken – de beroemdste is een lachende smiley. Sindsdien worden dna-origami steeds meer gemaakt – er bestaat zelfs een Mona Lisa gemaakt van dna. Tegenwoordig kan dna-origami meer dan glimlachen: het is heel handig knutselmateriaal. Onderzoekers hebben vergaande controle over de manier waarop ze vouwen, en kunnen heel precies stukjes dna aan elkaar plakken. Zo is de dna-bol in de eiwitval precies de gewenste grootte om in het gat te passen.

„Een enorm origineel, goed uitgevoerd en heerlijk geschreven verhaal”, noemt Erwin Peterman de studie. Hij is hoogleraar natuurkunde van levende systemen aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. „Dit is een heel mooie methode om de vormverandering van eiwitten te meten. Vele andere methoden werken ook wel, maar hebben een enorm nadeel: het is zo goed als onmogelijk om langer dan een paar seconden te meten. Met deze methode kan het uren. Dat biedt de kans om lang het gedrag van een enkel eiwit te volgen.”