ETH-onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om grote membraaneiwitten te kristalliseren om hun structuur te bepalen. Dit komt het biologisch onderzoek en de farmaceutische industrie ten goede.

In membraan ingebedde eiwitten zijn een essentieel onderdeel van cellen en elke vorm van leven. Ze bestaan ​​niet alleen in veel verschillende varianten, maar vervult ook een breed scala aan functies, variërend van intracellulaire communicatie en het transport van stoffen in of uit de cel tot het bemiddelen van de immuunrespons. Membraaneiwitten worden beschouwd als belangrijke therapeutische en diagnostische doelstructuren. Als hun structuur en functies bekend zijn, farmaceutisch onderzoekers kunnen werkzame stoffen ontwikkelen die deze functies gericht beïnvloeden.

Tot nu, echter, het ophelderen van de structuur van membraaneiwitten was erg moeilijk, omdat onderzoekers eerst grote aantallen van deze moleculen moeten isoleren en er kristallen van moeten vormen. Daarin schuilt de moeilijkheid:membraaneiwitten zijn onoplosbaar in water en vaak te groot en heterogeen om met de standaardmethoden te worden gekristalliseerd.

Nutsvoorzieningen, de groep onder leiding van Raffaele Mezzenga, Hoogleraar voedsel en zachte materialen aan de ETH Zürich, werkt eraan om deze beperking op te heffen. In een publicatie in het tijdschrift Natuurcommunicatie , de groep presenteert een algemene methode, die kunnen worden gebruikt om membraaneiwitten van elk type of elke grootte te kristalliseren.

Lipide-watermengsel als reactiekamer

De basis voor de nieuwe methode werd in de jaren negentig gelegd met de methode genaamd "in meso-kristallisatie":de eiwitten worden geïsoleerd en geconcentreerd met behulp van stabiele water-lipidemengsels die bekend staan ​​als lipidische mesofasen. In dit soort mesofasen een zelfassemblageproces leidt tot een driedimensionaal netwerk van gebogen waterkanalen waarvan de wanden zijn opgebouwd uit lipiden, zoals in een biomembraan. Deze waterkanalen hebben doorgaans een diameter van 3-4 nanometer, en het basale kubieke motief van het netwerk wordt met regelmatige tussenpozen herhaald.

In dit soort kanalen de membraaneiwitten nestelen zich in de wanden met behulp van het hydrofobe deel dat anders in het celmembraan zit. De rest van het eiwit komt terecht in het binnenste van het waterkanaal, en de eiwitten, eenmaal correct gereconstitueerd, kan dan gaan kristalliseren. Juist omdat de kanalen zo weinig ruimte bieden, alleen kleine membraaneiwitten konden worden gekristalliseerd - grote eiwitten werden verpletterd en vormden geen kristallen.

Kanalen uitgebreid met geladen lipiden

De ETH-onderzoekers hebben nu een trucje gebruikt om de kanalen uit te breiden:ze vermengden een kleine hoeveelheid elektrisch geladen lipiden met de lipiden. Deze stoten elkaar af en blazen zo de kanalen op, hun diameter vergroten tot 20 nanometer. Hoewel de eerste pogingen om waterkanalen in lipide-mesofasen elektrostatisch op te zwellen dateren uit het begin van de jaren 2000 en tot voor kort gestaag zijn doorgegaan, dit is de eerste gedemonstreerde evolutie van deze strategie naar een methodologie van algemeen belang.

Dankzij deze gezwollen lipidische mesofasen, inderdaad, Mezzenga en zijn collega's slaagden erin grote membraaneiwitten te kristalliseren en vervolgens hun structuur op te helderen.

De ETH-onderzoekers oefenden op het membraaneiwit GLIC (Gloeobacter ligand-gated ion channel), die afkomstig is van bacteriën. GLIC heeft verschillende grote subeenheden die buiten het bacteriële membraan in het buitenste deel van de cel liggen. Vroeger, een andere methode werd gebruikt om dit complex te kristalliseren omdat deze domeinen te groot waren. "Onze procedure verbeterde niet alleen de kristallisatie, maar produceerde ook extreem compacte kristallen die behoren tot een nieuwe kristallografische groep voor dit eiwit, ", zegt Mezzenga. Daarnaast de onderzoekers konden dit kanaaleiwit voor het eerst in zijn gesloten configuratie kristalliseren. Tot nu, onderzoekers konden het complex alleen in open toestand kristalliseren met een andere methode.

Boost verwacht voor structurele opheldering

De nieuwe "generalised in meso"-methode is waarschijnlijk van groot belang voor met name structurele biologen, die tot nu toe hebben geworsteld om de structuur van grote membraaneiwitten op te helderen. "Deze tool zal een nieuwe impuls geven aan structurele opheldering, omdat het eiwitten opent die voorheen onbereikbaar waren, ', zegt Mezzenga.

Momenteel, wetenschappers kennen de exacte structuur van slechts 360 kleine membraaneiwitten, of ongeveer een zevende van alle membraaneiwitten. De structuur van de vele resterende membraaneiwitten is onbekend.

Volgens Mezzenga, het onderzoek kan ook nuttig zijn voor de farmaceutische industrie. "Het vermogen om structuur te bepalen is van het grootste belang voor de ontwikkeling van nieuwe medicijnen, "zegt hij. "Deze methode zal het aanzienlijk gemakkelijker maken en een nieuwe impuls geven in het veld."