Biomoleculen ontvouwd
Wetenschappers van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein zijn er in geslaagd verschillende conformaties van zeer flexibele aminozuurmoleculen in de gasfase te onderscheiden. De conformatie, grofweg de manier van opvouwen, van aminozuren en grotere biomoleculen zoals eiwitten, bepaalt in grote mate hun werking. Kennis hierover is dus van belang voor een beter begrip van de werking van deze moleculen. De onderzoekers publiceerden de resultaten van hun onderzoek in het gerenommeerde tijdschrift Physical Review Letters van 12 november 2003.
De conformatie van biomoleculen
De werking van eiwitten en andere biologisch belangrijke moleculen hangt sterk af van hoe deze opgevouwen zijn, hun zogenaamde conformatie. Gezien de enorme flexibiliteit van deze lange ketenmoleculen mag het een wonder heten dat de grote biomoleculen bijna altijd één specifieke vorm aannemen. Dat het ook wel eens mis kan gaan, bewijzen prionziekten als de gekkekoeienziekte (BSE), waarbij de prioneiwitten in de hersenen van koeien van structuur veranderen en hun functie verliezen. Voor een beter begrip van de functies van een eiwit in allerlei biologische processen is het dus van belang om inzicht te hebben in de conformatie van het eiwit en in de verschillende interacties die het proces van vouwen beheersen.
Dezelfde flexibiliteit treft men ook aan in de bouwstenen van eiwitten, de aminozuren. Joost Bakker, Luke Mac Aleese, Gerard Meijer en Gert von Helden hebben aangetoond dat het mogelijk is om de driedimensionale structuur van biomoleculen te ontrafelen, door middel van het meten van het mid-infraroodspectrum (dat wil zeggen in het golflengtegebied van 6 tot 30 micrometer) van specifieke conformaties van deze moleculen. Van het aminozuur tryptofaan hebben zij het infraroodspectrum van drie verschillende conformaties gemeten. Door deze meetgegevens te combineren met complexe computer-bere-keningen konden de Rijnhuizenaren de precieze structuur van tryptofaan bepalen. Bij hun experimenten maakten zij gebruik van de Nieuwegeinse vrije-elektronenlaser voor infraroodexperimenten, FELIX. FELIX produ-ceert zeer intens infraroodlicht met golflengtes tussen de 2 en 250 micrometer, waarbij de golflengte binnen dit gebied traploos instelbaar is.
Het infraroodspectrum geeft directe informatie over de manier waarop de onderlinge atomen in het molecuul in trilling gebracht kunnen worden. Deze trillingen, vibraties, hangen sterk af van de locale omgeving van de atomen, en zouden dus gevoelig moeten zijn voor een andere manier van opvouwen van het onderzochte aminozuur.
Het experiment
Om de infraroodspectra van tryptofaanmoleculen in de gasfase te meten hebben de onderzoekers deze moleculen eerst verdampt en vervolgens, vermengd met argon (een zogenaamd draaggas), laten expanderen in vacuüm. Door de expansie en de botsingen met argonmoleculen koelen de tryptofaanmoleculen af tot een temperatuur van ongeveer 10 kelvin. De moleculen worden als het ware ingevroren in de conformaties waarin ze zich op dat moment bevinden. De Rijnhuizenaren bestralen de gekoelde moleculen vervolgens met infraroodlicht afkomstig van FELIX. Kort hierna brengen pulsen ultravioletlicht moleculen in één van de geselecteerde conformaties vanuit hun grondtoestand naar een zeer specifieke elektronische toestand, waarna ionen ontstaan. Deze ionen vormen een constant detectiesignaal. Wanneer nu tijdens de interactie met het infraroodlicht een vibratie in de moleculen wordt veroorzaakt, zullen deze moleculen vanuit hun grondtoestand in een andere - nu vibrationeel aangeslagen - toestand terechtkomen. De zeer specifieke elektronische toestand kan niet meer met het ultravioletlicht aangeslagen worden, waardoor de onderzoekers een 'dip' in het constante detectiesignaal van ionen waarnemen. Door het infrarode licht een golflengtegebied te laten doorlopen en bij elke golflengte het aantal ionen te meten, verkrijgen de Rijnhuizenaren een infraroodspectrum van de geselecteerde conformatie.
Inzicht in vouwen
De infraroodspectra van de aparte conformaties die op deze wijze zijn verkregen laten onderling sterke verschillen zien. Deze verschillen tonen aan dat de manier van vouwen van het aminozuur duidelijke invloed heeft op de vibraties. Door de spectra te vergelijken met computerberekeningen kunnen de onderzoekers de verschillende pieken toewijzen aan specifieke vibraties van atomen of delen van het molecuul.
Soortgelijke experimenten zijn al eerder gedaan, maar toen konden slechts enkele atomen binnen het molecuul in trilling worden gebracht. Het golflengtebereik van FELIX maakt het nu mogelijk om het hele molecuul aan te slaan, waarbij de wetenschappers vibraties kunnen observeren die zeer gevoelig zijn voor de precieze interne structuur van het molecuul. Dit experiment heeft aangetoond dat zich in het golflengtegebied waarin FELIX licht produceert, een schat aan informatie bevindt die de vaststelling van de precieze structuur van flexibele moleculen sterk zal verge-makke-lijken.
De resultaten van dit onderzoek helpen mee om inzicht te krijgen in de krachten die het vouwen van eiwitten beheersen en beïnvloeden. Zo blijkt dat de inwendige waterstofbruggen die binnen het molecuul bestaan de structuren van de onderzochte conformaties vooral bepalen. Weten-schappers zullen de resultaten gebruiken om gangbare theoretische model-len, waar biochemici en farmaceuten gebruik van maken, te ver-fij-nen. Op dit moment bestuderen Rijnhuizenaren andere biomoleculen, waaronder fragmenten van DNA.
Voor de redactie:
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met drs. Joost Bakker, telefoon (030) 609 69 99.