Voor de ontwikkeling van nieuwe geneeskrachtige middelen, nauwkeurige kennis van biologische processen in het lichaam is een vereiste. Hierbij spelen eiwitten een cruciale rol. Aan het Paul Scherrer Instituut PSI, de röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL heeft nu, Voor de eerste keer, richtte zijn sterke licht op eiwitkristallen en maakte hun structuren zichtbaar. De bijzondere eigenschappen van de röntgenlaser maken compleet nieuwe experimenten mogelijk waarbij wetenschappers kunnen zien hoe eiwitten bewegen en van vorm veranderen. De nieuwe methode, wat in Zwitserland alleen mogelijk is bij PSI, zal helpen bij de toekomstige ontdekking van nieuwe medicijnen.

Minder dan twee jaar nadat de röntgenvrije-elektronenlaser SwissFEL in gebruik werd genomen, PSI-onderzoekers, samen met het Zwitserse bedrijf leadXpro, hebben met succes hun eerste experiment voltooid om biologische moleculen te bestuderen. Daarmee hebben ze weer een mijlpaal bereikt voordat deze nieuwe grote onderzoeksfaciliteit van PSI beschikbaar komt voor experimenten, begin 2019, voor alle gebruikers uit de academische wereld en de industrie. SwissFEL is een van de slechts vijf faciliteiten wereldwijd waar onderzoekers biologische processen in eiwitten of eiwitcomplexen kunnen onderzoeken met hoogenergetisch röntgenlaserlicht.

"In de toekomst, de extreem korte röntgenlichtpulsen van SwissFEL stellen ons hier bij PSI in staat om niet alleen de structuur van moleculen vast te leggen, maar ook hun beweging, " zegt PSI-fysicus Karol Nass, die het experiment leidde. "Dat zal ons in staat stellen om veel biologische processen vanuit een heel ander perspectief te observeren en te begrijpen."

Dit opent met name nieuwe mogelijkheden voor farmaceutisch onderzoek. Michael Hennig, CEO van het biotechbedrijf leadXpro, is daarvan overtuigd. Het bedrijf, hoofdkantoor in Park innovaare bij PSI, doet onderzoek naar de structuur van bepaalde eiwitten die belangrijke functies in het celmembraan vervullen en daarom geschikte doelwitten zijn voor medicijnen. Daarom heeft hij al in dit eerste biologische experiment in de nieuwe SwissFEL-faciliteit, onderzocht een membraaneiwit dat een belangrijke rol speelt bij kankers.

Een licht schijnen in het onbekende

Membraaneiwitten zijn betrokken bij veel biologische processen in het lichaam en vormen dus de sleutel tot nieuwe behandelingsperspectieven; er zijn al verschillende Nobelprijzen toegekend aan onderzoekers die ze hebben bestudeerd. Het zijn eiwitmoleculen die stevig in het celmembraan zijn geïntegreerd en verantwoordelijk zijn voor de communicatie tussen cellen en hun omgeving. Wanneer een geneeskrachtig middel op hen aanmeert, bijvoorbeeld, ze veranderen van vorm en sturen daarbij een signaal naar het binnenste van de cel. Dat beïnvloedt het celmetabolisme en andere cellulaire functies. Veel medicijnen die tegenwoordig worden gebruikt, werken al via membraaneiwitten.

Echter, er is niet veel in detail bekend over welke veranderingen de agenten daar teweegbrengen. "Je weet welk middel bindend is en welke effecten het veroorzaakt, toch worden de signalen overgedragen door structurele veranderingen van het eiwit. Wat zijn dit precies, we kunnen alleen maar raden, "zegt Hennig. "Met SwissFEL, we willen deze ultrasnelle dynamiek waarmee medicijnen zich koppelen aan membraaneiwitten beter begrijpen, evenals de bijbehorende mechanismen." Met deze kennis, de onderzoekers hopen, nieuwe en meer gerichte middelen tegen ziekten kunnen worden ontwikkeld, en bijwerkingen kunnen worden geminimaliseerd.

Superlatieve stroboscoop

Om de structuur van complexe eiwitten zichtbaar te maken, onderzoekers gebruikten tot nu toe een methode waarbij ze naar eiwitten kijken met behulp van een faciliteit die synchrotronlicht produceert - ook bij PSI. Voor deze methode is eiwitten worden zo bereid dat ze in kristallijne vorm beschikbaar zijn, dat is, gerangschikt in een regelmatige roosterstructuur. Als het röntgenlicht van een synchrotron hen raakt, dit licht wordt verstrooid op het kristalrooster en opgevangen door een detector.

De detector levert de gegevens vervolgens aan een computer voor een driedimensionaal beeld van de eiwitstructuur. Dit basisprincipe wordt ook bij SwissFEL toegepast. Vergeleken met een synchrotron, Hoewel, SwissFEL zendt in zeer korte intervallen röntgenflitsen uit met een miljard maal hogere intensiteit, tot 100 flitsen per seconde. Deze vernietigen de kristallen na elke flits. Daarom moeten er achtereenvolgens wel honderdduizenden kristallen van een eiwit in de röntgenbundel worden gebracht. Elke flits die een eiwit raakt, net voordat het vernietigd wordt, produceert een spreidingsdiagram bij de detector. Dit wordt geanalyseerd door complexe software die draait op krachtige computers en vervolgens doorgerekend in een structuur. Omdat de pulsen onvoorstelbaar kort zijn, zelfs zeer snelle moleculaire bewegingen kunnen als in slow motion zichtbaar worden gemaakt.

Hoogste resolutie dankzij PSI-detector

De Jungfrau-16M-detector van SwissFEL is de nieuwste en grootste detector ter wereld voor het onderzoek van biomoleculen met een röntgenlaser. Onderzoekers van PSI hebben meer dan vijf jaar besteed aan het ontwikkelen van de 16-M-detector speciaal voor deze toepassing. Het werd in juni 2018 voltooid. Daarna duurde het slechts twee maanden voordat het zijn capaciteiten met succes kon demonstreren - met dit eerste biomolecuul-experiment bij SwissFEL. "Deze detector is iets speciaals, " zegt PSI-fysicus Nass. "Het heeft een lage ruisprestatie en een zeer hoog dynamisch bereik, en daardoor kan het een veel grotere bandbreedte aan intensiteiten registreren." Dit is als een camera die zeer grote licht-donkerverschillen kan verwerken. Deze eigenschap is vooral belangrijk voor metingen bij SwissFEL vanwege de extreem hoge lichtintensiteit.

Naast de zeer gevoelige detector, biologische onderzoekers van SwissFEL waarderen de mogelijkheid om veel kleinere kristallen te analyseren dan bij een synchrotron. Dit aspect is ook economisch interessant, Hennig vindt, omdat, afhankelijk van het eiwit, het vinden van een procedure om er kristallen uit te laten groeien kan extreem tijdrovend zijn. "Voor sommige eiwitten tot nu toe, alleen kleine kristallen konden worden geproduceerd. Nu kunnen we deze bestuderen bij SwissFEL. Zo besparen we enorm veel tijd die anders nodig zou zijn voor de optimalisatie van het kristal, dus we krijgen de resultaten sneller."

Voor leadXpro, de samenwerking met PSI, inclusief toegang tot de grote onderzoeksfaciliteit SwissFEL, is een win-winsituatie waarin de expertisegebieden elkaar perfect aanvullen. Al in dit proefexperiment, een leadXpro-onderzoeker kristalliseerde de eiwitten en maakte ze klaar voor analyse, dan, om ze samen met PSI-wetenschappers van SwissFEL te onderzoeken. Hennig vult aan:"Met onze experimenten, dat laten we bij SwissFEL zien, gelijktijdig met fundamenteel onderzoek, het is mogelijk om toegepast farmaceutisch onderzoek te doen waar patiënten baat bij hebben." Op een dag, als resultaat, Er moeten middelen worden ontdekt die leiden tot grote verbeteringen in de behandeling van ziekten – door kleine bewegingen in de eiwitten te beïnvloeden.