Eiwitkristallografie: de vorm van leven in kaart brengen
Een eiwit is een van de kleinste machines die de natuur kent, maar het gedraagt zich alleen goed als het de juiste vorm heeft. Eiwitkristallografie is een techniek waarmee wetenschappers die vorm tot op het niveau van individuele atomen kunnen bekijken. Stel je voor dat je de bouwtekening van een sleutel wilt maken, maar de sleutel is duizend keer kleiner dan een bacterie en volledig onzichtbaar voor elk gewoon microscoop. Door zo'n sleutel eerst uit te laten groeien tot een kristal en er vervolgens röntgenstraling doorheen te schieten, ontstaat een patroon waaruit de exacte vorm valt te reconstrueren.
Deze methode bestaat al meer dan een eeuw, maar is nog altijd een van de belangrijkste manieren om te begrijpen hoe eiwitten werken, waarom ziektes ontstaan en hoe medicijnen daarop kunnen aangrijpen. Wie ooit heeft gehoord dat een medicijn 'precies in het slot van een eiwit past', heeft eigenlijk het resultaat gezien van eiwitkristallografie: onderzoekers kennen de vorm van het slot en ontwerpen daar een passende sleutel voor.
Wat is het precies?
De basis van kristallografie is simpel: licht dat door een regelmatig gerangschikt patroon van deeltjes gaat, buigt af op een voorspelbare manier. Bij eiwitkristallografie gebeurt dat met röntgenstraling, een vorm van elektromagnetische straling met een golflengte die klein genoeg is om atomen te kunnen 'zien'.
De eerste en vaak lastigste stap is het kristalliseren van het eiwit zelf. Een oplossing met gezuiverd eiwit wordt onder zeer specifieke omstandigheden (zuurgraad, temperatuur, zoutconcentratie) langzaam laten indampen, in de hoop dat de eiwitmoleculen zich netjes op een rij gaan leggen tot een kristal, net zoals suiker- of zoutkristallen ontstaan. Dit proces kan weken tot maanden duren en lukt lang niet altijd; sommige eiwitten weigeren simpelweg te kristalliseren.
Is er eenmaal een kristal, dan wordt dit bevroren en bestraald met een gebundelde röntgenstraal, meestal afkomstig van een synchrotron: een deeltjesversneller ter grootte van een sportstadion die extreem felle röntgenstraling opwekt. De straling buigt af op de atomen in het kristal en vormt op een detector een patroon van duizenden lichte puntjes, het diffractiepatroon.
Met wiskundige technieken wordt dat patroon omgezet in een driedimensionale 'elektronendichtheidskaart': een soort wazige mistvorm die aangeeft waar in de ruimte elektronen zich waarschijnlijk bevinden. Onderzoekers passen daar vervolgens een model van aminozuurketens in, atoom voor atoom, tot de vorm van het complete eiwit zichtbaar wordt. De scherpte van dat beeld heet de resolutie en wordt uitgedrukt in angström (Å, een tienmiljardste meter). Bij een resolutie van 1 tot 2 Å zijn individuele atomen goed te onderscheiden; bij 3 Å en hoger wordt het beeld wazig en is meer interpretatie nodig.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is functie begrijpen via vorm. Een eiwit dat voedingsstoffen afbreekt, een virus dat een cel binnendringt, een enzym dat DNA kopieert: in vrijwel alle gevallen bepaalt de precieze driedimensionale structuur hoe het molecuul werkt. Zonder die structuur te kennen, blijft veel biologie giswerk.
Een groot deel van de motivatie komt uit de geneeskunde. Bij structuurgebaseerd medicijnontwerp gebruiken chemici de atomaire kaart van een ziekteveroorzakend eiwit, bijvoorbeeld een viraal enzym, om moleculen te ontwerpen die precies in een actieve holte passen en zo het eiwit blokkeren. Dit heeft de ontwikkeling van diverse geneesmiddelen aanzienlijk versneld, vooral wanneer traditioneel trial-and-error-onderzoek te traag of te duur zou zijn.
Daarnaast is er de fundamentele wetenschap: het in kaart brengen van hoe het leven op moleculair niveau in elkaar steekt, los van directe toepassingen. Veel structuren die decennia geleden zijn opgehelderd, blijken pas jaren later relevant voor onverwachte toepassingen, van landbouw tot biotechnologie.
Voorbeelden uit de praktijk
Hemoglobine en myoglobine (1958-1960). Max Perutz en John Kendrew losten in het Britse Cambridge de eerste structuren van eiwitten op, van respectievelijk het zuurstoftransportmolecuul hemoglobine en het verwante myoglobine. Voor dit pionierswerk ontvingen zij in 1962 de Nobelprijs voor de Scheikunde.
Insuline (1969). Dorothy Hodgkin, die al eerder de structuur van penicilline en vitamine B12 had opgehelderd, bracht na jarenlange inspanning ook de structuur van insuline in kaart. Deze kennis is later gebruikt bij de ontwikkeling van gemodificeerde insulines voor diabetespatiënten.
HIV-protease (1989). De opheldering van de structuur van dit virale enzym, essentieel voor de vermenigvuldiging van het hiv-virus, legde de basis voor een nieuwe klasse geneesmiddelen: proteaseremmers. Deze medicijnen, vanaf het midden van de jaren negentig op de markt, veranderden hiv van een vrijwel dodelijke naar een goed behandelbare chronische aandoening.
Het ribosoom (rond 2000). Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz en Ada Yonath ontrafelden de structuur van het ribosoom, de moleculaire 'fabriek' die in elke cel eiwitten aanmaakt op basis van genetische code. Dit werk, bekroond met de Nobelprijs voor de Scheikunde in 2009, hielp ook te verklaren hoe bepaalde antibiotica het ribosoom van bacteriën blokkeren.
SARS-CoV-2-eiwitten (2020). Bij het begin van de coronapandemie ontrafelden onderzoeksteams wereldwijd in recordtempo structuren van virale eiwitten, waaronder het hoofdprotease van het virus. De synchrotronfaciliteit Diamond Light Source in Groot-Brittannië zette binnen enkele weken een grootschalig fragmentscreeningsprogramma op om potentiële medicijnbouwstenen tegen dit eiwit te testen, met de structuurdata openbaar beschikbaar voor onderzoekers wereldwijd.
Hoe ver is de techniek?
Eiwitkristallografie is een volwassen, gevestigde techniek: de eerste eiwitstructuren dateren van eind jaren vijftig en er zijn inmiddels ruim tweehonderdduizend eiwitstructuren openbaar gedeponeerd in internationale databanken. De komst van synchrotrons vanaf de jaren tachtig en negentig heeft het proces enorm versneld: waar het opnieuw kristalliseren en meten vroeger maanden kostte, kan een routinematige structuurbepaling tegenwoordig soms binnen enkele dagen.
Een recentere ontwikkeling zijn röntgen-vrije-elektronenlasers (XFEL's), extreem krachtige en kortstondige röntgenpulsen die het mogelijk maken structuren te bepalen van piepkleine kristallen, of zelfs om moleculaire processen in real time te volgen voordat stralingsschade het kristal vernietigt.
Tegelijk kent de techniek hardnekkige beperkingen. Sommige eiwitten, met name membraaneiwitten die in de vetlaag van cellen zitten, zijn notoir lastig te kristalliseren. Grote, flexibele of tijdelijk gevormde eiwitcomplexen laten zich soms helemaal niet in een star kristalrooster dwingen. Voor dit soort gevallen wint de concurrerende techniek cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) terrein, waarbij geen kristal nodig is.
Ook de opkomst van computationele structuurvoorspelling, met name AlphaFold van DeepMind (vanaf 2020), heeft het veld veranderd. Dit AI-systeem voorspelt de vorm van een eiwit met opmerkelijke nauwkeurigheid puur op basis van de aminozuurvolgorde. Dat vervangt experimentele kristallografie niet, want voorspellingen zijn geen metingen en missen bijvoorbeeld informatie over hoe eiwitten daadwerkelijk bewegen of reageren op andere moleculen, maar het versnelt onderzoek wel doordat modellen als startpunt of controle kunnen dienen.
Wie werken eraan?
Het veld is sterk internationaal en steunt op grote, gedeelde onderzoeksfaciliteiten. Synchrotrons met speciale bundellijnen voor eiwitkristallografie staan onder meer bij Diamond Light Source (Groot-Brittannië), de European Synchrotron Radiation Facility ESRF (Grenoble, Frankrijk), PETRA III bij DESY (Hamburg, Duitsland), de Advanced Photon Source (Verenigde Staten) en SPring-8 (Japan).
Voor de nieuwste generatie röntgen-vrije-elektronenlasers lopen de Verenigde Staten (LCLS bij SLAC) en Europa (European XFEL in Hamburg) voorop. Universiteiten en onderzoeksinstituten met een lange traditie in structurele biologie zijn onder meer het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge (waar Perutz, Kendrew en later ook het ribosoomonderzoek plaatsvonden), Oxford, en diverse Max Planck-instituten in Duitsland.
Ook de farmaceutische industrie investeert fors in kristallografie voor medicijnontwikkeling, terwijl publieke initiatieven zoals de wereldwijde Protein Data Bank (wwPDB), met knooppunten in de VS, Europa en Japan, ervoor zorgen dat opgehelderde structuren vrij toegankelijk blijven voor onderzoekers overal ter wereld.