Ongeveer 30 procent van de eiwitten die door het menselijk genoom worden gecodeerd, zijn membraaneiwitten - eiwitten die het celmembraan overspannen, zodat ze de communicatie tussen cellen en hun omgeving kunnen vergemakkelijken. Deze moleculen zijn cruciaal voor het leren, zien, en geuren waarnemen, naast vele andere functies.

Ondanks de prevalentie van deze eiwitten, wetenschappers hebben moeite gehad om hun structuren en functies te bestuderen omdat de membraangebonden delen erg hydrofoob zijn, dus ze kunnen niet worden opgelost in water. Dit maakt het veel moeilijker om structurele analyses te doen, zoals röntgenkristallografie.

In een voorschot dat het mogelijk zou maken om dit soort structuurstudies uit te voeren, MIT-onderzoekers hebben een manier ontwikkeld om deze eiwitten wateroplosbaar te maken door enkele van hun hydrofobe aminozuren te ruilen voor hydrofiele. De techniek is gebaseerd op een code die veel eenvoudiger is dan eerder ontwikkelde methoden om deze eiwitten oplosbaar te maken, die afhankelijk zijn van computeralgoritmen die van geval tot geval aan elk eiwit moeten worden aangepast.

"Als er geen regel is om te volgen, het is moeilijk voor mensen om te begrijpen hoe het moet, " zegt Shuguang Zhang, een hoofdonderzoeker in het Center for Bits and Atoms van het MIT Media Lab. "De tool moet eenvoudig zijn, iets dat iedereen kan gebruiken, geen geavanceerde computersimulatie die maar een paar mensen weten te gebruiken."

Zhang is de senior auteur van de studie, die verschijnt in de Proceedings van de National Academy of Sciences de week van 27 augustus. Andere MIT-auteurs zijn voormalig gastprofessor Fei Tao, postdoc Rui Qing, voormalig gasthoogleraar Hongzhi Tang, afgestudeerde student Michael Skuhersky, voormalig student Karolina Corin '03, SM '05, doctoraat '11, voormalig postdoc Lotta Tegler, afgestudeerde student Asmamaw Wassie, en voormalig student Brook Wassie '14.

Een simpele code

Van de ongeveer 8 000 bekende membraaneiwitten gevonden in menselijke cellen, wetenschappers hebben structuren ontdekt voor ongeveer 50. Ze worden algemeen beschouwd als erg moeilijk om mee te werken, want als ze eenmaal uit het celmembraan zijn gehaald, ze behouden hun structuur alleen als ze worden gesuspendeerd in een wasmiddel, die de hydrofobe omgeving van het celmembraan nabootst. Deze wasmiddelen zijn duur, en er is geen universeel detergens dat voor alle membraaneiwitten werkt.

Zhang begon in 2010 aan een nieuwe manier om dit probleem aan te pakken, geïnspireerd door wijlen Alexander Rich, een MIT-professor in de biologie. Rich stelde de vraag of eiwitstructuren die alfa-helices worden genoemd, die het grootste deel uitmaken van het in het membraan ingebedde deel van eiwitten, kunnen worden omgeschakeld van hydrofoob naar hydrofiel. Zhang begon onmiddellijk mogelijke oplossingen uit te werken, maar het probleem bleek moeilijk. In de afgelopen acht jaar is hij heeft verschillende studenten en gastonderzoekers laten werken aan zijn idee, meest recent Qing, die succes hebben behaald.

Het belangrijkste idee dat Zhang in staat stelde de code te ontwikkelen, is het feit dat een handvol hydrofobe aminozuren zeer vergelijkbare structuren hebben als sommige hydrofiele aminozuren. Door deze overeenkomsten kon Zhang een code bedenken waarin leucine wordt omgezet in glutamine, isoleucine en valine worden omgezet in threonine, en fenylalanine wordt omgezet in tyrosine.

Een andere belangrijke factor is dat geen van deze aminozuren geladen is, dus het verwisselen ervan lijkt een minimaal effect te hebben op de algehele eiwitstructuur. In feite, isoleucine en threonine lijken zo op elkaar dat ribosomen, de celstructuren die eiwitten assembleren, voeg af en toe de verkeerde in - ongeveer eens in de 200 tot 400 keer.

De onderzoekers noemen hun code de QTY-code, na de drie letters die glutamine vertegenwoordigen, threonine, en tyrosine, respectievelijk.

In hun eerste pogingen om deze code te implementeren, de onderzoekers substitueerden slechts een kleine fractie van de hydrofobe aminozuren die in het membraan waren ingebed, maar de resulterende eiwitten hadden nog steeds wat wasmiddel nodig om op te lossen. Ze verhoogden het vervangingspercentage tot ongeveer 50 procent, maar de eiwitten waren nog steeds niet volledig oplosbaar in water, dus vervingen ze alle gevallen van glutamine, isoleucine, valine, en fenylalanine ingebed in de membranen. Deze keer, ze behaalden succes.

"Alleen wanneer we alle hydrofobe residuen in de transmembraanregio's vervangen, kunnen we eiwitten krijgen die stabiel zijn en volledig vrij van detergens in een waterig systeem, ' zegt Qing.

Structurele overeenkomsten

In dit onderzoek, de onderzoekers demonstreerden hun techniek op vier eiwitten die behoren tot een klasse van eiwitten die bekend staat als G-eiwit-gekoppelde receptoren. Deze eiwitten helpen cellen om moleculen te herkennen, zoals hormonen, of immuunmoleculen, chemokinen genoemd, en trigger een passende reactie binnen de cel.

Joel Sussman, een professor structurele biologie aan het Weizmann Institute of Science, beschreef de nieuwe methode als "ongelooflijk eenvoudig en elegant."

"Hoewel een aantal wetenschappers hebben geprobeerd een manier te vinden om G-eiwit-gekoppelde receptoren en andere integrale membraaneiwitten te 'solubiliseren', tot nu toe waren hun methoden niet algemeen bruikbaar en omvatten ze vaak zeer complexe rekenmethoden die niet algemeen toepasbaar zouden zijn, " zegt Susman, die niet bij het onderzoek betrokken was.

De onderzoekers werken nog steeds aan het verkrijgen van de precieze structuren van deze eiwitten met behulp van röntgenkristallografie of nucleaire magnetische resonantie (NMR), maar ze voerden enkele experimenten uit die suggereren dat de structuren vergelijkbaar zijn. In een, ze toonden aan dat de in water oplosbare eiwitten denatureren bij bijna dezelfde temperatuur als de originele versies van de eiwitten. Ze toonden ook aan dat de gemodificeerde eiwitten binden aan dezelfde doelmoleculen waaraan de oorspronkelijke eiwitten binden, hoewel niet zo sterk.

Het kunnen synthetiseren van in water oplosbare versies van deze eiwitten kan nieuwe toepassingen mogelijk maken, zoals sensoren die milieuverontreinigende stoffen kunnen detecteren, zeggen de onderzoekers.

Een andere mogelijkheid is het ontwerpen van in water oplosbare versies van de eiwitten die binden aan moleculen die normaal gesproken door kankercellen tot expressie worden gebracht, die kunnen worden gebruikt om tumoren te diagnosticeren of metastatische kankercellen in bloedmonsters te identificeren, zegt Zhang. Onderzoekers zouden ook in water oplosbare moleculen kunnen maken waarin een membraangebonden receptor waaraan virussen zich normaal binden, is bevestigd aan een deel van een antilichaam. Als deze "lokmiddeltherapieën" in het lichaam werden geïnjecteerd, virussen zouden binden aan de receptoren en vervolgens worden geklaard door het immuunsysteem, die zouden worden geactiveerd door het antilichaamgedeelte.