Moleculaire val maakt studie van afzonderlijke eiwitten mogelijk

Onderzoekers van de technische universiteiten van Delft en München hebben een nieuw type moleculaire val uitgevonden die een enkel eiwit urenlang op zijn plaats kan houden om zijn natuurlijke gedrag te bestuderen – een miljoen keer langer dan voorheen. De nieuwe NEOtrap-techniek stelt wetenschappers in staat elektrische stromen te gebruiken om de levendige aard van eiwitten te bestuderen, wat kan leiden tot innovatie in de biogeneeskunde, biotechnologie en meer.

Ook al zijn eiwitten cruciaal voor het leven – ze bieden je bijvoorbeeld zicht en neurale verbindingen om deze tekst te lezen – de manier waarop ze van vorm veranderen, is nog steeds slecht begrepen. Zoals gepubliceerd op maandag 30 augustus in Natuur Nanotechnologie, ontwikkelde een team onder leiding van Cees Dekker van de TU Delft een nieuwe techniek, de Nanopore Electro-Osmotic trap (NEOtrap), om individuele eiwitmoleculen veel langer te bestuderen dan voorheen mogelijk was. Met de NEOtrap kunnen de onderzoekers meten hoe afzonderlijke eiwitten in de loop van de tijd van vorm veranderen.

Als een kurk op een fles

De NEOtrap combineert twee nanotechnologieën: nanoporiën in vaste toestand en DNA-origami. Nanoporiën zijn kleine gaatjes die wetenschappers gebruiken als sensoren voor afzonderlijke moleculen zoals eiwitten. Omdat eiwitten normaal gesproken in microseconden door het kleine gaatje gaan, kunnen ze slechts kort worden geregistreerd. Door het nanogat af te sluiten met een bolletje op nanoschaal dat volledig is opgebouwd uit DNA (!), kunnen de onderzoekers het eiwit urenlang op zijn plaats houden, net zoals een kurk een fles wijn afsluit. Hendrik Dietz en zijn groep aan de Technische Universiteit van München bouwden deze nanobal met behulp van een benadering genaamd “DNA-origami” – een techniek die het vouwen van origami op macroschaal nabootst – met behulp van DNA-strengen op nanoschaal in plaats van papier.

Hoofdauteur van het artikel Sonja Schmid, die als postdoc in het laboratorium van Dekker de NEOtrap ontwikkelde, legt uit: “Deze nano-bal van DNA-origami werkt als een spons die water door de nanoporie zuigt, een enkel eiwit naar de nanopore trekt en het opsluit Daar kunnen we dat eiwit dus heel lang bestuderen. In dit werk laten we al zien dat we verschillende soorten eiwitten kunnen onderscheiden, en zelfs verschillende functionele vormen van één en hetzelfde eiwit.”

Radicale vooruitgang in het veld

Cees Dekker voegt toe: “Deze nieuwe techniek is echt een grote stap voorwaarts – een anonieme recensent van ons artikel noemde het “een van de meest radicale ontwikkelingen op het gebied van nanoporiëndetectie”. de noodzaak om het molecuul van belang te wijzigen, in tegenstelling tot eerdere technieken. Deze techniek kan onderzoekers bijvoorbeeld helpen om het onderliggende mechanisme van enzymen en andere belangrijke eiwitten te ontdekken die van vorm veranderen om chemische reacties te vergemakkelijken.”

De NEOtrap stelt wetenschappers over de hele wereld in staat om geheel nieuwe experimenten uit te voeren, met het potentieel om eerder over het hoofd geziene functionele kenmerken van eiwitten te onthullen en zo innovatie in de biogeneeskunde, biotechnologie en meer aan te wakkeren. Schmid (die nu haar eigen lab startte in Wageningen) en Dekker plannen de komende jaren veel vervolgonderzoeken naar de dynamiek van afzonderlijke eiwitten.