Massamicroscoop ziet eerste 'biomoleculaire ionen'
Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben met steun van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) een nieuwe type massamicroscoop ontwikkeld. Daarmee kunnen zij de ruimtelijke verdeling van grote biologische moleculen, zoals peptiden, eiwitten, complexe lipiden en meervoudige suikers direct in kaart brengen. Tot nu toe kregen de moleculen een fluorescerend label om ze te kunnen detecteren. De nieuwe techniek is van belang voor het bestuderen van ziekten en biologische mechanismen. De eerste resultaten die de kracht van het concept aantonen, zijn onlangs verschenen in het Amerikaanse tijdschrift 'Analytical Chemistry' van de American Chemical Society (ACS). Ook hebben de onderzoekers inmiddels de verdeling van neuropeptiden in de hersenen van een zoetwaterslak kunnen bepalen. Deze resultaten verschijnen binnenkort in het Journal of Mass Spectrometry.
Voor het bestuderen van biomoleculen zoals eiwitten maken wetenschappers gebruik van microscopie. Om de biomoleculen te kunnen zien en herkennen, hangen ze eerst een fluorescerend label aan de moleculen. De huidige technieken waarbij moleculen gelabeld worden, kennen enkele belangrijke nadelen. Zo moeten onderzoekers van tevoren bepalen naar welke moleculen zij gaan kijken: elk molecuul vraagt namelijk een ander label. Per experiment kunnen ze slechts een beperkt aantal verschillende moleculen tegelijk bekijken. Daarnaast kan het label de normale functie van het molecuul beïnvloeden.
Nieuw concept
Om ziekten en de complexiteit van biologische mechanismen beter en sneller te kunnen bestuderen hebben de Amsterdamse onderzoekers een nieuw molecuul-specifiek concept bedacht om direct (zonder labels) naar de verdeling van biomoleculen in weefsels en cellen te kunnen kijken. Met geld in het kader van NWO-groot (bedoeld om grote apparatuur van nationaal belang en internationale allure aan te schaffen) zijn zij vanaf 2000 bezig geweest met de ontwikkeling van de massamicroscoop.
Massaspectrometrie, een cruciale techniek in proteomics-onderzoek*, ligt aan de basis van deze nieuwe manier om microscopie te bedrijven. Massaspectrometrie is een methode om biomoleculen te bestuderen waarbij een intrinsieke eigenschap van een molecuul, de massa, gebruikt wordt om de structuur te analyseren.
* Proteomics is het karakteriseren en analyseren van alle eiwitten die door een genoom tot expressie worden gebracht. Zie ook www.netherlandsproteomicscenter.nl.
In de massamicroscoop worden geen plaatjes gemaakt met behulp van licht, maar vormen ionen (deeltjes met een elektrische lading) van eiwitten en peptides de afbeeldingen. De onderzoekers behandelen het biologische monster met een zogenaamde matrix en belichten het daarna met een laserpuls. De moleculen van de matrix absorberen het ultraviolette licht, waardoor de biomoleculen intact uit het monster geschoten worden en worden voorzien van een ladingsdrager. Een ingenieus ionen-optisch systeem houdt de biomoleculen op hun plaats nadat ze uit het monster geschoten zijn. Een detector beeldt de moleculaire ionen af en bepaalt gelijktijdig hun massa's. De lichtste moleculen bereiken de detector eerder dan de zwaardere. Uit de massa van de moleculen kunnen de onderzoekers het type molecuul afleiden. Zo krijgen de Amsterdammers een 'foto' waarop de verdeling van de eiwitten in het monster te zien is. Op dit moment kunnen ze met de detector een afbeelding maken van één type eiwit per cyclus van het experiment. De massaspectrometer wordt als massafilter gebruikt, dat slechts één type eiwit op de detector terecht laat komen. Vervolgens wordt de massaspectrometer snel op een ander ion, met een andere massa, ingesteld.
Het bijzondere van de nieuwe methode is dat de onderzoekers met een enkel laserschot intacte biomoleculen uit een groot oppervlak kunnen verwijderen én tegelijk hun massa en hun plaats van origine kunnen registreren. Door de afbeelding die de detector maakt over een microscoopopname van het monster te leggen, is te zien welke cellen welke eiwitten produceren.
Met de massamicroscoop maken de Amsterdamse onderzoekers in 0,0001 seconde beelden, flitsfoto's zoals ze zelf noemen, van tweehonderd bij tweehonderd micrometer (een micrometer is een duizendste millimeter), waarbij macromoleculaire details van een micrometer nog juist zijn te ontwaren. Het is zelfs mogelijk om massaspectrometrische filmpjes te maken waarop beweging en biochemisch detail van het monster in de massamicroscoop te zien zijn. Op dit moment is de massamicroscoop van AMOLF het enige instrument in de wereld dat zo gedetailleerd en zo snel de onderlinge ruimtelijke verdeling van intacte macromoleculen vast kan stellen.
Biologische systemen
Het AMOLF-team onderzoekt met deze unieke instrumentatie op dit moment verschillende biologische systemen, variërend van hersenweefsel van slakken en kakkerlakken tot afzonderlijke cellen. Met behulp van verschillende massaspectrometrische afbeeldingstechnieken hebben ze zo bijvoorbeeld met hoge resolutie de verdeling van een neuropeptide in de hersenen van een zoetwaterslak bepaald. De eerste resultaten van deze studies zijn kortgeleden geaccepteerd voor publicatie in het Journal of Mass Spectrometry. In de toekomst zullen dergelijke instrumenten onder andere gebruikt gaan worden voor onderzoek van verschillende cellen en weefsels samen met partners zoals het Academisch Medisch Centrum (AMC) in Amsterdam, het Nederlands Kanker Instituut (NKI) en het Nederlands Proteomics Centrum (NPC).
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr. Ron Heeren, FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam, telefoon (020) 608 12 34.