Onderzoekers bepalen de structuur en dynamiek van eiwitten met behulp van NMR (Nuclear Magnetic Resonance) spectroscopie. Tot nu toe waren voor in vitro metingen van de biomoleculen in oplossing echter veel hogere concentraties nodig dan in onze lichaamscellen. Een NMR-methode verbeterd door een zeer krachtige versterker, in combinatie met moleculaire dynamische simulatie, maakt nu hun detectie en nauwkeurige karakterisering bij fysiologische concentraties mogelijk. Dit meldt de chemicus Dennis Kurzbach van de Universiteit van Wenen en zijn collega's in het tijdschrift Science Advances . Het team demonstreerde hun nieuwe methode met het voorbeeld van een eiwit dat de celproliferatie en dus ook de potentiële tumorgroei beïnvloedt.

Momenteel is NMR-spectroscopie de enige methode die een volledige beschrijving van de atomaire structuur van biomacromoleculen in hun oorspronkelijke oplossingstoestand mogelijk maakt. Vanwege de inherent lage gevoeligheid van de methode moeten de monsters echter veel meer moleculen per volume bevatten dan fysiologisch gebruikelijk is. Om deze discrepantie te overwinnen, kan hyperpolarisatie (meer bepaald door Dissolution Dynamic Nuclear Polarization) worden gebruikt om een ​​1000-voudige signaalversterking in NMR-metingen te bereiken.

E-gitaar versus NMR:hetzelfde principe

"Spectroscopie vertoont enkele overeenkomsten met een elektrische gitaar:als de versterker te zwak is, hoor je heel weinig als je de snaren niet hard aanslaat", zegt Dennis Kurzbach van het Institute of Biological Chemistry, "wat betekent dat je veel materiaal om een ​​NMR-signaal te zien. Met de nieuwe hyperpolarisatieversterker kun je nu zelfs bij lage concentratie iets zien."

De onderzoekers slaagden erin om biomoleculen te meten in concentraties zo laag als 1 micromol/liter (d.w.z. een miljoenste van de gebruikelijke concentratieniveaus). De concentratie benadert dus die van onze cellen. Dit is belangrijk omdat eiwitten kunnen reageren op onnatuurlijk hoge concentraties. Ze doen niet meer wat ze moeten doen en gedragen zich ineens anders.

Bovendien levert een meting van de dynamische nucleaire polarisatie in oplossing typisch eendimensionale spectra op, wat de verkregen informatie beperkt. Om eiwitten volledig te beschrijven onder natuurlijke concentratieomstandigheden, gebruikten de onderzoekers moleculaire dynamica-simulaties:"We waren ook in staat om de vingerafdruk die we van ons molecuul hebben verkregen via NMR te extrapoleren naar zijn 'hele lichaam', d.w.z. zijn multidimensionale structuur", zegt Kurzbach.

Aanzienlijke eiwit MAX beschreven

De waarde van deze methodologische vooruitgang wordt aangetoond met behulp van de alomtegenwoordige transcriptiefactor MAX. Dit eiwit kan zichzelf associëren met verschillende andere eiwitten (d.w.z. eiwitdimerisatie). For example, MYC-MAX dimers have a great influence on the DNA copying processes in the cell.

With the new methods, MAX has been shown to adopt an undocumented conformation when concentrations approach physiological levels. "The folding spectrum of MAX is of crucial importance for working together with MYC and thus for the proliferation of healthy as well as diseased cells in the body," said ERC grantee Dennis Kurzbach, who is also deputy head of the Core Facility NMR at the Faculty of Chemistry.

The new method can help to better understand the process of cell proliferation to tumor growth and thus elucidate basic mechanisms for cancer development. This is just one of many potential fields of application for the new method—after all, thousands of proteins in our cells perform a wide variety of tasks, including digestion and regulation of DNA and RNA. + Verder verkennen

Magnetic resonance makes the invisible visible