Licht onthult structuur en gedrag van rood eiwit
Veel actieve biomoleculen geven straling af als ze met licht van een andere golflengte beschenen worden. Dat verschijnsel heet fluorescentie. Met moderne natuurkundige methoden kan de fluorescentie tot op het niveau van afzonderlijke moleculen gemeten worden. In de natuur ligt de golflengte van de fluorescentie echter zelden in het zichtbare licht. Als dat al het geval is, ligt de fluorescentie vaak in het blauw of groen. Het nadeel daarvan is dat verschillende soorten moleculen dan lastig afzonderlijk onderscheiden kunnen worden. Het was daarom in de moleculaire en celbiologie een grote doorbraak toen er een eiwit werd ontdekt dat in het rood fluoresceert. Waarom dat gebeurt en hoe dat precies gaat, was echter onduidelijk. Een groep natuurkundigen in het MESA+-instituut van de Universiteit Twente heeft nu ontdekt dat het overdragen van energie binnen complexen van dit eiwit, in combinatie met de structuur van de complexen, verantwoordelijk is voor de rode fluorescentie. Maria Garcia-Parajo (KNAW), Marjolein Koopman (FOM), Erik van Dijk (FOM), V. Subramaniam (MPI voor Biofysische Chemie, Göttingen) en Niek van Hulst (Universiteit Twente) publiceren hun bevindingen vandaag (4 december 2001) in de Proceedings of the National Academy of Science in Washington. De fluorescentie van het eiwit kan 'aan' en 'uit' staan. Dit gedrag maakt natuurkundigen erg nieuwsgierig naar de mogelijkheid zo'n eiwit als een optische moleculaire schakelaar te gebruiken. In het nu gepubliceerde onderzoek is daar overigens nog niet speciaal naar gekeken.
In de moleculaire en de celbiologie zijn sinds enige jaren uit zichzelf fluorescerende eiwitten zeer populair omdat je ze met andere eiwitten kunt laten versmelten en dan zo, door hun fluorescentie, die andere eiwitten gemakkelijk traceerbaar hebt gemaakt. Zo ontstond een nieuwe techniek om eiwitten in levende cellen te bestuderen, zonder dat die cellen daardoor verstoord werden. Men kan er bijvoorbeeld het kopiëren van genen mee volgen. Enkele jaren geleden slaagde een groep Russische onderzoekers erin een fluorescerend eiwit van de koraalsoort Discosoma te kloneren. Dit eiwit is het enige in de natuur voorkomende dat in rood fluoresceert, waardoor het dus enorm goed te onderscheiden is. Bovendien is het zeer lichtbestendig, wat voor onderzoek erg handig is. Het gekloneerde eiwit is in de handel als DsRed.
Bij experimenten bleek dat het eiwit als het in de cel tot expressie komt, met soortgenoten aaneen gaat klonteren tot complexen, soms groen gaat stralen in plaats van rood en nauwelijks van vorm verschilt van een zeer bekend groen fluorescerend eiwit. Kortom, wat gebeurt er nu precies? Daar hebben de onderzoekers in Twente zich op gestort.
Natuurkundigen doen in zo'n geval wat ze altijd doen: vereenvoudig het experiment zover als je kunt. In dit geval: kijk in een oplossing naar afzonderlijke eiwitmoleculen en meet wat er onder verschillende omstandigheden gebeurt. In de oplossing werden de eiwitten met een laser bestraald. Zelfs bij heel lage concentraties bleken de eiwitten aaneen te groeien, tot complexen die uit zogeheten tetrameren bestaan. Elk tetrameer bestaat uit vier identieke subeenheden (monomeren) van die eiwitten. Met zeer gevoelige en nauwkeurige detectoren werd de fluorescentie van de afzonderlijke subeenheden in de tetrameren geregistreerd. Daardoor was te zien hoe binnen een tetrameer razendsnel energie uit het laserlicht van het ene monomeer naar het andere werd overgedragen. De detectoren lieten zien dat de fluorescentie die daarbij optrad, vaak rood was, maar soms ook groen of zelfs beide. Door deze metingen bij een groot aantal tetrameren te herhalen, konden de onderzoekers tot statistisch verantwoorde uitspraken komen. De rode fluorescentiestraling wordt veroorzaakt door de afzonderlijke, geheel ontwikkelde monomeren in de tetrameer; de groene fluorescentiestraling blijkt afkomstig van niet volledig ontwikkelde monomeren in hetzelfde tetrameer (die heten dan onrijp). Ondanks de rode kleur blijkt dat in 86% van DsRed minstens één groen monomeer aanwezig is, met een verhouding rood tot groen van 1,2 tot 1,5.
De samenklontering en onvolledige rijping van de DsRed-moleculen bepalen de mate waarin rode fluorescentie optreedt en dat is dus voor experimenteel gebruik van DsRed nog enigszins een probleem. Toch heeft DsRed voor biologisch onderzoek geweldige eigenschappen: fluorescentie op een andere golflengte (namelijk rood) dan alle andere uit zichzelf fluorescerende biomoleculen, de fluorescentie is heel helder en het eiwit kan door zijn grote lichtbestendigheid tegen een stootje. "Kortom", zegt Maria Garcia-Parajo, "ons onderzoek is een sterk pleidooi om dit eiwit verder te verbeteren."
Meer informatie bij dr. Maria Garcia-Parajo, tel. (053) 489 40 02, e-mail m.f.garciaparajo@tn.utwente.nl.