Wetenschap
Wetenschappers gebruiken hogedruk-NMR-spectroscopie om de structuur van dynamische eiwitten te bestuderen
In het NMR-spectroscopielaboratorium van de Universiteit van Konstanz wordt in een buisje een druk van 3.000 bar uitgeoefend op het koudeschokproteïne B van Bacillus subtilis. Dit is grofweg drie keer de waterdruk op het diepste punt van de oceaan. De druk is zo intens dat het zeer dynamische eiwit structurele kenmerken vertoont die onder normale druk niet voldoende zichtbaar zouden zijn.
Maar waarom passen wetenschappers zo’n hoge druk toe, die nergens anders op onze planeet onder natuurlijke omstandigheden voorkomt? Het antwoord is:processen en eigenschappen bestuderen die te vluchtig zijn om onder normale omstandigheden waar te nemen.
"Deze hoge druk stelt ons in staat toestanden zichtbaar te maken die daadwerkelijk bestaan bij 1 bar, maar die we pas direct bij 3.000 bar kunnen waarnemen", legt Frederic Berner, Universiteit van Konstanz, uit. Letterlijk ‘onder hoge druk’ onderzoekt de doctoraalonderzoeker de eigenschappen van een eiwit, bepaald door zijn structuur, en hoe veranderingen in de structuur op hun beurt de eigenschappen ervan beïnvloeden.
In de onderzoeksgroep Fysische Chemie en Nucleaire Magnetische Resonantie aan de Universiteit van Konstanz, onder leiding van Michael Kovermann, implementeerde hij onlangs een nieuwe methode voor het analyseren van de structurele eigenschappen van eiwitten bij 3.000 bar met zo min mogelijk invloed van omgevingseffecten.
De twee onderzoekers presenteren nu hun nieuwe methodologische aanpak in het tijdschrift Angewandte Chemie International Edition .
Eiwitten:hoe structuur hun eigenschappen beïnvloedt
Eiwitten zijn de fundamentele bouwstenen van het leven. Ze bestaan uit aminozuurketens waarvan de driedimensionale structuur een grote verscheidenheid aan formaties kan aannemen. Ze "vouwen" op dezelfde manier als een lang papieren lint in verschillende vormen kan worden gevouwen.
De functionele eigenschappen van een eiwit hangen voor een groot deel af van de vouwing ervan, zodat hetzelfde eiwit heel verschillende effecten in de cel kan hebben, afhankelijk van de vorm waarin het is gevouwen. "Wat belangrijk is voor eiwitten is hun structuur, die op zijn beurt weer gekoppeld is aan functionaliteiten. Als je biochemische mechanismen wilt identificeren, heb je informatie nodig over hun structuur", zegt Berner.
Wetenschappers streven ernaar de eigenschappen van de eiwitstructuur in zijn ‘pure’ vorm vast te leggen – zo vrij mogelijk van invloeden uit de omgeving. Om twee redenen is dat echter niet zo eenvoudig:ten eerste zijn er bijna altijd interacties met het oplosmiddel dat het eiwit omringt en met aangrenzende delen van de moleculaire keten ervan.
Ten tweede zijn eiwitten zeer dynamisch; hun vouwing is altijd in beweging. Er zijn bijvoorbeeld eiwitten die voortdurend uit elkaar vouwen en als een schaar teruggaan. In de fractie van een seconde dat deze opengaat, vindt er een chemische reactie plaats. Dit gebeurt veel te snel voor onderzoekers om het direct te kunnen onderzoeken.
Onder hoge druk
En hier komt de druk van 3.000 bar om de hoek kijken:het molecuul wordt in een bepaalde toestand gedrukt – de structuur ervan wordt gemanipuleerd:de schaar blijft open. Met behulp van magnetische resonantiespectroscopie kunnen de onderzoekers nu specifieke structurele eigenschappen van het eiwit bestuderen die onder normale druk niet direct zichtbaar zijn.
Eerdere analysemethoden hebben vaak de milieueffecten geaccepteerd en proberen deze achteraf buiten beschouwing te laten. De nieuwe hogedrukmethode van Kovermann en Berner kan daarentegen de milieueffecten van het begin af aan onderdrukken of "corrigeren" ("intrinsiek") en maakt zo een zo min mogelijk beeld mogelijk van het eiwit dat wordt aangetast. Het is bijzonder zinvol om de nieuwe methode te gebruiken en te vergelijken in combinatie met bestaande methoden, omdat op deze manier de verschillende beïnvloedende factoren gedetailleerd zichtbaar worden.
Het hogedrukproces dat is uitgevonden aan de Universiteit van Konstanz heeft zelfs in de vroege fase van de toepassing zeer goede resultaten opgeleverd. Berner en Kovermann leggen uit dat er nu verdere experimenten en computersimulaties zullen plaatsvinden om het proces verder te testen en mogelijk te verfijnen.