Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld om metalloproteïnen te analyseren met slechts een klein vloeibaar monster. Deze doorbraak werd bereikt door een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Eiji Ohmichi en Tsubasa Okamoto aan de Kobe University Graduate School of Science. De bevindingen werden op 28 november gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

Metalloproteïnen (ook bekend als metaalbindende eiwitten) spelen een vitale rol bij het transport en de opslag van zuurstof, elektronen transport, oxidatie en reductie. Vaak, de metaalionen in deze eiwitten zijn de actieve centra voor deze activiteiten, dus door de exacte toestand van deze ionen te identificeren, we kunnen de mechanismen achter hun functies begrijpen.

Een experimentele methode genaamd elektron paramagnetische resonantie (EPR) kan worden gebruikt om de toestand van elektronenionen in eiwitten te meten. Effectieve EPR-technieken vereisen een bepaalde hoeveelheid monstervolume voor gevoelige metingen. Echter, veel metalloproteïnen zijn moeilijk te isoleren en te verfijnen, dus onderzoekers kunnen alleen kleine steekproeven verkrijgen.

Conventionele EPR-metingen detecteren de elektromagnetische golven die worden geabsorbeerd door metaalionen. Het opvallende kenmerk van deze studie is het gebruik van een trampoline-vormig apparaat dat een nanomembraan wordt genoemd (figuur 1(a)). In EPR, de elektronspin gaat over in een toestand van hoge energie door elektromagnetische golven te absorberen, maar op het zelfde moment, de draairichting keert om, en de magnetische eigenschappen van de metaalionen veranderen ook. Voorafgaand aan het experiment, het onderzoeksteam bevestigde kleine magneten aan het nanomembraan, dus de veranderingen in de aantrekkingskracht tussen de magneten en de metaalionen worden omgezet in een kracht op het nanomembraan, en dit EPR-signaal wordt gedetecteerd. Omdat het nanomembraan erg dun is - slechts 100 nm (=0,1 m) kunnen we kleine veranderingen in kracht die gepaard gaan met EPR-absorptie gevoelig meten.

Het oplossingsmonster wordt in een oplossingscel direct boven het membraan geplaatst (figuur 1(b)). Het celvolume is slechts 50μL (=0,05 cc), en het team voegt ongeveer 1-10μL (0,001-0,01 cc) oplossing toe voor metingen. Om te voorkomen dat de oplossing verdampt, de cel is bedekt met een deksel van hars. Bij deze methode is het dunne en fragiele nanomembraan onafhankelijk van de oplossingscel, waardoor het gemakkelijk is om van specimen te wisselen (figuur 1(c)).

Om de prestaties van deze opstelling te evalueren, het team voerde EPR-metingen uit over een hoge frequentie (meer dan 0,1 THz) voor een ijzerbevattend eiwit genaamd myoglobine en zijn modelcomplex heminechloride (figuur 2). Het team slaagde erin EPR-signalen te detecteren over een brede golffrequentie (0,1-0,35 THz) voor een concentratie van 50 mM, 2μL heminechloride-oplossing. Ze observeerden ook een karakteristiek EPR-signaal voor een 8,8 mM, 10μL monster van myoglobine-oplossing. Een groot voordeel van deze methode is de mogelijkheid om over een breed frequentiebereik te meten, waardoor het toepasbaar is voor metalloproteïnen met een verscheidenheid aan magnetische eigenschappen.

Professor Ohmichi merkt op:"Deze nieuwe methode maakt het mogelijk om tot op een gedetailleerd niveau de toestand van de metaalionen in een kleine hoeveelheid metalloproteïne-oplossing te bepalen. Mogelijk kunnen we de methode toepassen op metalloproteïnen die voorheen niet konden worden gemeten. Bijvoorbeeld , in onze stofwisseling, een metalloproteïne genaamd peroxidase speelt een cruciale rol door waterstofperoxide om te zetten in water, onschadelijk maken, maar de details van het mechanisme voor dit reactieve proces zijn nog onduidelijk. De resultaten van deze studie kunnen mogelijk worden toegepast als een toonaangevende analysemethode om licht te werpen op dit soort vitale fenomenen."