Universiteit Leiden Universiteit Leiden

Nederlands English

Nieuwe kracht gemeten tussen eiwitten

Eiwitten organiseren zich rond onze lichaamscellen via een kracht die ze zelf veroorzaken. Ze deuken de cel in en rollen zo naar elkaar toe. Deze ontdekking geeft meer inzicht in processen als voedingsopname en hersensignalen, maar ook in malafide processen zoals Alzheimer. Publicatie in Nature’s Scientific Reports.

Hoe bestudeer je iets dat te klein is om te zien? Dat vroegen Leidse natuurkundigen zich af toen ze wilden onderzoeken hoe eiwitten zich in ons lichaam organiseren. Eiwitten zijn verantwoordelijk voor  belangrijke lichaamsprocessen en zo klein als een molecuul. Het antwoord lijkt verassend simpel: je maakt er een uitvergrote versie van en zorgt dat dit model klopt met de kleinere werkelijkheid. Toch is dit makkelijker gezegd dan gedaan.

Vervormingen

Groepsleider Daniela Kraft en eerste auteur Casper van der Wel beschrijven hun schaalmodel in Nature’s Scientific Reports. Ze ontdekten hiermee dat hun modeleiwitten zich op lange afstand niet alleen organiseren via conventionele krachten zoals de elektrostatische of zwaartekracht, maar ook door het vervormen van de beschermlaag in en rond onze cellen—het celmembraan. Wanneer meerdere eiwitten zich aan een cel hechten en het membraan vervormen, is het vaak energetisch gezien voordeliger om bij elkaar te zitten. En omdat de natuur altijd de weg van de minste energie kiest, gebeurt dit ook (zie figuur 1). Door deukjes te maken in de beschermlaag rollen ze als het ware naar elkaar toe.

Uitvergroot model

Kraft en haar team deden hun vondst met uitvergrote versies van eiwitten. Ze gebruikten bolvormige colloïden—deeltjes van een micrometer groot die zich ondanks hun relatief grote omvang nog net gedragen als de eiwitten op nanoschaal. Kraft: ‘We kunnen onze ontdekking vanuit ons model vertalen naar kleinere, echte eiwitten omdat de resultaten sterk overeenkomen met die van een theoretische simulatie die geldt voor alle lengteschalen. Als nuance moeten we wel aanbrengen dat onze conclusies alleen kloppen als het eiwit groter is dan de dikte van het membraan.’

Bindingsenergie

De biofysici weten dat hun gemeten vervorming inderdaad de drijvende kracht is, omdat ze hebben ontdekt dat er voor bolvormige deeltjes slechts twee opties bestaan; vervorming van het celmembraan, of totaal geen vervorming. En alleen bij vervorming trekken de modeleiwitten naar elkaar toe. Als de bindingsenergie tussen het modeleiwit en de cel groter is dan de energie die het kost om de beschermlaag te vervormen, klapt de beschermlaag om het modeleiwit heen. Zo niet, dan is er geen vervorming.

Belangrijke eiwitten

De Leidse resultaten geven een uniek inzicht in de organisatie van een van de belangrijkste bouwstenen van ons lichaam. Zo nemen cellen voedingsstoffen op met behulp van eiwitten en worden hersensignalen onder andere geregeld door samenwerkingen van eiwitten. Aan de andere kant kan een foute organisatie van eiwitten nare gevolgen hebben. Zo zijn eiwitophopingen een van de oorzaken van de ziekte van Alzheimer. Nu we weten via welke kracht eiwitten zich kunnen organiseren, begrijpen wetenschappers beter hoe deze processen tot stand komen.  

Publicatie

'Lipid membrane-mediated attractions between curvature inducing objects', Casper van der Wel, Afshin Vahid, Timon Idema, Doris Heinrich, Daniela J. Kraft, Scientific Reports

 

Figuur 1. Links: Modeleiwitten (groen) hechten zich aan een cel en maken deukjes in het celmembraan. Rechts: Het is vaak energetisch gezien voordeliger als de eiwitten dichter bij elkaar zitten. Omdat de natuur altijd de weg van de minste energie kiest, gebeurt dit ook. Door deukjes te maken in de beschermlaag rollen ze als het ware naar elkaar toe.

 

Twee modeleiwitten (groen) bewegen naar elkaar toe door deukjes te maken in de cel (paars). Deze vervorming werkt zo als een aantrekkingskracht. Leidse natuurkundigen hebben deze kracht als eerste zichtbaar gemaakt en gemeten.