Razendsnel draaiend eiwitmonster onthult geheimen van celmembraan

Waarom membraaneiwitten zo lastig zijn

Elke lichaamscel is omgeven door een dun vetlaagje, het lipidemembraan. Daar doorheen steken grote eiwitten die functies vervullen zoals het doorlaten van geladen deeltjes, het herkennen van signaalstoffen of het aan elkaar plakken van cellen. Een belangrijke groep binnen deze eiwitten zijn de zogeheten seven-transmembrane (7TM) eiwitten, beter bekend als G-eiwitgekoppelde receptoren. Ze spelen een sleutelrol bij het doorgeven van signalen in het lichaam en zijn daarom populaire aangrijpingspunten voor medicijnen. Het probleem: hun exacte bouw achterhalen in hun natuurlijke omgeving, ingebed in een vetmembraan, is extreem lastig. Klassieke technieken zoals röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie geven wel een globaal beeld, maar missen vaak de fijne details die nodig zijn om te begrijpen hoe een eiwit precies werkt.

Sneller draaien in plaats van chemisch knippen

Voor gedetailleerde structuurinformatie grijpen wetenschappers meestal naar NMR-spectroscopie, een techniek die met een sterk magneetveld en radiogolven de positie van atomen blootlegt. Bij eiwitten in vaste vorm, zoals in een membraan, botsen de waterstofatomen in het molecuul voortdurend op elkaar. Dat vertroebelt het signaal zo erg dat onderzoekers doorgaans hun toevlucht nemen tot deuteratie: het vervangen van gewone waterstofatomen door het zwaardere deuterium. Dat proces is duur, kan de vorm van het eiwit veranderen en levert zelf weer signaalverlies op.

Een team van de Yokohama National University, Bruker en de universiteit van Tokio koos een andere aanpak. Ze lieten een monster met het eiwit schizorhodopsin (SzR1), een protonpomp met zeven membraandoorgangen, ronddraaien in een rotor van slechts 0,4 millimeter doorsnede. Bij een hoek van 54,74 graden ten opzichte van het magneetveld en een snelheid van 160.000 omwentelingen per seconde - ultrasnelle magic angle spinning genoemd - vallen de storende krachten tussen atomen grotendeels tegen elkaar weg. Het resultaat: een veel scherper signaal, verkregen met minder dan een milligram eiwitmateriaal en zonder dat het eiwit zijn natuurlijke, volledig geprotoneerde vorm hoefde te verliezen.

Op naar nog sterkere magneten

Volgens onderzoeksleider Izuru Kawamura van de Yokohama National University toont de proef aan dat de methode gedetailleerde structuurinformatie oplevert terwijl het eiwit in zijn natuurlijke, membraangebonden vorm blijft. Het onderzoek verscheen op 11 augustus in het tijdschrift Chemical Communications. Het team wil de techniek nu combineren met nog krachtigere magneten van boven de 1 gigahertz, om de scherpte van de metingen verder te verhogen. Uiteindelijk hopen de onderzoekers dat de combinatie van ultrasnelle sample-spinning en sterke magneetvelden een standaardgereedschap wordt voor het bestuderen van membraaneiwitten, inclusief geneesmiddel-doelwitten zoals G-eiwitgekoppelde receptoren en membraantransporteiwitten.