Eiwitten zijn uit te lezen met een moleculair motortje

Scheikunde Eiwitten zijn complexe moleculen. Hun structuur achterhalen is een helse klus, maar daar is nu een ingenieuze oplossing voor.

Een uitgerold stukje eiwit wordt door een nanoporie getrokken.
Een uitgerold stukje eiwit wordt door een nanoporie getrokken. Beeld Cees Dekker Lab TU Delft / SciXel

Individuele eiwitten kunnen tot op de kleinste bouwsteen afgelezen worden door ze als een draad door een nano-opening te trekken. Eiwitten bestaan uit een reeks aaneengeregen aminozuren. De volgorde van aminozuren bepaalt de functie van een eiwit. Onderzoekers aan de TU Delft ontwikkelden een methode om die volgorde te achterhalen. Daarbij hergebruikten ze een methode die eerder ontwikkeld was om dna-moleculen te analyseren. Het onderzoek verscheen donderdag in Science.

Eiwitten behoren tot de meest onderzochte biologische moleculen. Toch is het achterhalen van de basisstructuur nog altijd moeilijk. Dat komt vooral door de grote onderlinge variëteit en complexiteit van eiwitten en aminozuren. Er bestaan twintig verschillende aminozuren en een aminozuur kan positief, negatief of neutraal geladen zijn. En eiwitten zijn altijd opgevouwen en opgerold tot complexe structuren, die moet je eerst helemaal losknopen. Bovendien: lang nadat eiwitten gemaakt zijn, kunnen ze onverwachte moleculaire groepen aan zich vastgeplakt krijgen. Door deze ‘post-translationele’ modificaties hebben biochemici nog minder zicht op hoe eiwitten er in de cel uitzien.

Doorgaans gebruiken onderzoekers een massaspectrometer om de aminozuurvolgorde van eiwitfragmenten te achterhalen. Het apparaat kost echter tonnen, en het vereist expertise om de aminozuurvolgorde van een compleet eiwit te vinden. Bovendien zijn grote hoeveelheden van een enkel eiwit nodig. Daardoor mist het apparaat allerlei zeldzame eiwitten, die in kleinere hoeveelheden voorkomen.

Gaatje in een dun membraan

De Delftse onderzoekers maakten een ‘nanoporie’ – een gaatje van een nanometer doorsnee in een dun membraan – waar ze een uitgerold stukje eiwitdraad van 25 aminozuren doorheen trekken. De onderzoekers meten in hoeverre elk aminozuur het gat blokkeert - dat beïnvloedt hoeveel andere deeltjes er nog door kunnen stromen. De onderzoekers willen in kaart brengen welke mate van verstopping bij welk aminozuur past.

Een vergelijkbare nanoporie werd al gebruikt om een dna-molecuul te analyseren, maar bij eiwitten was het lastig om een streng langzaam genoeg door de porie te trekken. De Delftse onderzoekers losten dat op door aan het uiteinde van het eiwit een stukje dna te plakken. Een moleculair eiwitmotortje gebruikt dat dna als handvat om het stukje eiwit door het gat te trekken. Dat lukt stap voor stap, aminozuur voor aminozuur, op het niveau van een enkel molecuul.

„Een grote doorbraak”, noemt Giovanni Maglia de studie. Hij is hoogleraar chemische biologie in Groningen. „Wat mogelijk het cruciale probleem in het veld is, is nu opgelost: de precisie waarmee een eiwit door de nanoporie beweegt. Met deze methode verwacht ik dat in de nabije toekomst hele eiwitten gescand kunnen worden. Alle puzzelstukjes zijn er.”

Een beperking van de nieuwe methode is dat het slechts kan werken met eiwitten tot aan 25 aminozuren groot – slechts een fractie van de grootte van de meeste eiwitten. Toch is dat al een verbetering ten opzichte van de massaspectrometer, die met nog kleinere fragmenten werkt. Bovendien is 25 aminozuren al genoeg om alle menselijke eiwitten van elkaar te kunnen onderscheiden. „Ik denk echt dat dit een doorbraaktechnologie is”, zegt ook Cees Dekker. Hij is universiteitshoogleraar aan de TU Delft en begeleider van het onderzoek. „Ook ben ik heel optimistisch dat we post-translationele modificaties zullen kunnen onderscheiden. Daar zijn we volop mee bezig in vervolgonderzoek.” De TU Delft heeft een patent op de vinding aangevraagd.