Nanosferen meten de krachten van celmotoren

Ultraresolution kinesine sporen met optisch ingevangen germanium nanobolletjes. Kinesines zijn moleculaire machines die blaasjes langs microtubuli in cellen transporteren. Met membraan beklede germanium-nanobolletjes (TEM-microfoto, links) verbeterden de spatiotemporele resolutie van optische pincetten en maakten het meten van substappen mogelijk tijdens de normale kinesine-stapcyclus. Onder belasting lieten kinesines zich niet los maar gleden langs de microtubulus, wat leidde tot de ontdekking van reddingsacties voor het transport van blaasjes. Credit: Wetenschap (2021). DOI: 10.1126 / science.abd9944

Motoreiwitten genereren de krachten voor essentiële mechanische processen in ons lichaam. Op een schaal van nanometers – een miljoenste van een millimeter – bijvoorbeeld drijven motoreiwitten onze spieren aan of transporteren ze materiaal in onze cellen. Dergelijke bewegingen, onzichtbaar voor het blote oog, kunnen zichtbaar worden gemaakt door Erik Schäffer: de hoogleraar Cellular Nanoscience aan de Universiteit van Tübingen ontwikkelt speciale krachtmicroscopen, de zogenaamde optische pincetten, om te meten hoe deze moleculaire machines mechanisch werken. Zijn team bij het Center for Plant Molecular Biology heeft de technologie nu verbeterd. Speciale sondes, germanium nanobolletjes, maken een hogere resolutie mogelijk van verplaatsingen en krachten die de motoren genereren. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap​

Met een grootte van slechts 60 nanometer zijn de onderzochte motoreiwitten echt klein, maar essentieel voor cellulaire processen. Ze helpen onder andere om chromosomen mechanisch uit elkaar te trekken tijdens de celdeling, of ze transporteren kleine “pakketjes”, zogenaamde blaasjes, in cellen. Niet goed werkende motoren, bijvoorbeeld in zenuwcellen, kunnen leiden tot neurologische aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer.

Om te ontrafelen hoe motoreiwitten werken, ontwikkelde biofysicus Erik Schäffer ultraprecieze optische pincetten. Ze zijn gebaseerd op principes die al in 1609 door astronoom Johannes Kepler zijn ontdekt. ​​Voor hun uitvinding ontving de natuurkundige Arthur Ashkin in 2018 de Nobelprijs. De optische pincetten benutten de stralingsdruk van laserlicht om contactloos minuscule deeltjes op hun plaats te houden. Met behulp van deze tool heeft Schäffer een paar jaar geleden kunnen aantonen dat het motorische eiwit kinesine roteert tijdens het lopen: met twee ‘voeten’ duurt het acht nanometer grote stappen die elke keer een halve slag maken – bijna alsof je een Weense wals uitvoert. .

Schäffer’s Ph.D. student Swathi Sudhakar heeft de optische pincettechnologie nu verder verfijnd. Met behulp van germanium nanobolletjes, veel kleinere en hogere resolutie sondes, kan men nog steeds de onvoorstelbaar kleine, vijf piconewton krachten van de biologische motoren tegengaan. Dit betekent dat de onderzoekers nu zelfs de kleinste en snelste bewegingen kunnen meten die tot nu toe verborgen waren in de storm van de schokkerige thermische beweging die inherent is aan kleine deeltjes.

Met de nieuwe technologie konden de onderzoekers kinesine in realtime volgen en Sudhakar ontdekte nog een tussenstap in zijn voortbeweging, waardoor de wals bijna perfect was. “Of deze tussenstap bestaat, wordt al twintig jaar onder wetenschappers gedebatteerd”, zegt Schäffer. “We hebben dit voor het eerst direct kunnen meten met een optische pincet.” Bovendien onthulden de nanobolletjes een voorheen onbekend slipmechanisme van de motor. “Het is een soort veiligheidsriem die de motor op het goede spoor houdt als de belasting te hoog is”, zegt Schäffer. Dit mechanisme verklaart de hoge efficiëntie van het transport van blaasjes in cellen, voegt hij eraan toe. “Als we in detail weten hoe kinesinemotoren werken, kunnen we ook de vitale celprocessen die de motoren aandrijven beter begrijpen, evenals storingen die tot ziekten kunnen leiden.”

Schäffer vergelijkt de nieuwe technologie met “goed onder de motorkap kijken” van moleculaire machines. Hij zegt dat onderzoekers nu niet alleen individuele bewegingen van moleculaire machines nauwkeurig kunnen observeren; ze kunnen bijvoorbeeld ook beter begrijpen hoe eiwitten zich vouwen tot hun juiste structuur. “Als halfgeleiders hebben de nanobolletjes extra opwindende optische en elektrische eigenschappen. Daarom kunnen ze nuttig zijn op andere gebieden van nanowetenschap en materiaalkunde, bijvoorbeeld voor betere lithium-ionbatterijen”, zegt Schäffer.