Print deze pagina 23 december 2004 2004/12

Groen-fluorescerend eiwit geeft verborgen toestanden prijs

Groen-fluorescerende eiwitten of Green Fluorescent Proteins (GFP's) worden in de celbiologie en andere terreinen van de levenswetenschappen veel gebruikt als 'label'. Wanneer GFP's met nabij-ultraviolet worden beschenen, gaan ze in groen licht fluoresceren. Door GFP's aan andere moleculen te hechten kan de aanwezigheid of de beweging van die andere moleculen worden waargenomen. Voor het goed begrijpen van waarnemingen met GFP's als label, is een goed inzicht in het verloop van het fluorescentieproces nodig. Tot nog toe waren van dit proces alleen een paar tussenstappen bekend. Onderzoekers van de Vrije Universiteit, de Stichting FOM en de Universiteit van Oxford hebben nu als eersten de volledige keten van het proces, inclusief de tijdsduur van de verschillende stappen, weten te meten. Ze vonden daarbij ook onbekende tussenstappen. In het proces speelt het overdragen van protonen een grote rol. Nu is protonoverdracht (of van een protonlading) een haast universeel proces in de biologie en vormen GFP's een goed modelsysteem voor protonoverdracht. Daarom kunnen de Amsterdamse resultaten mogelijk van breed belang in de biologie zijn. De onderzoekers publiceren hun resultaten in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) in Washington van 28 december 2004.

Wanneer een GFP met nabij-ultraviolet wordt bestraald, nemen zogeheten chromoforen in het eiwit een deel van de lichtenergie op. Chromoforen zijn groepen atomen die licht kunnen absorberen en weer uitzenden. Door het opnemen van energie uit het ultraviolet raakt het chromofoor in een zogeheten aangeslagen toestand, verliest daarbij een waterstofkern (proton) aan een aminozuur in het eiwit (een glutamaat) en wordt een zogeheten anion. Vervolgens zendt het chromofoor zijn teveel aan energie weer uit, in de vorm van groen licht. Op een of andere manier keert het proton ook weer naar het chromofoor terug, want dat is in de praktijk altijd elektrisch neutraal. Tot nog toe hadden eerdere onderzoekers bij metingen alleen maar de aangeslagen toestanden van het chromofoor geregistreerd.

Hele keten gemeten
De onderzoekers* van de VU, FOM en Oxford gebruikten voor hun metingen een reeks van laserpulsen die nauwkeurig op tijd en kleur waren ingesteld. Hiermee konden ze niet alleen de 'spontane' lichtgedreven reactie in GFP bestuderen, maar ook actief in deze reactie ingrijpen en zo toestanden van het chromofoor creëren en meten die tot dusverre aan het zicht onttrokken waren. Met deze methode hebben de onderzoekers nu twee duidelijk te onderscheiden tussenstappen gevonden. De eerste absorbeert licht bij een golflengte van 500 nanometer en gaat binnen picoseconden (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste seconde) over in de tweede toestand. Die heeft een levensduur van 400 picoseconde. Zo'n tijdsduur komt overeen met de duur van het proces waarin een proton terugkeert naar het chromofoor en dus de ion-toestand weer beëindigt. De onderzoekers hebben ook gekeken wat er gebeurt als ze het water waarin het GFP is opgelost vervangen door deuteriumoxide (ofwel zwaar water). De levensduur van de twee tussenstappen neemt dan toe en dat betekent dat de beweging van het proton de levensduur bepaalt.

Betekenis voor begrijpen biologische systemen
Protonoverdracht is een belangrijke factor in het functioneren van eiwitten, van belang bij zulke uiteenlopende verschijnselen als signaalgeleiding, enzymreacties en celmetabolisme. Protonoverdracht via eiwitten verloopt meestal via een netwerk van waterstofgebonden zijketens van aminozuren. Daarbij is het niet eens altijd nodig dat er werkelijk een proton van plaats verandert; de lading van het proton kan ook over de keten van waterstofgebonden moleculen reizen. Tot dusverre was het vrijwel onmogelijk om de 'ware' reactiesnelheid van protonoverdracht in eiwitten te bestuderen aangezien langzame diffusie van de protondonor vaak voorafgaat aan protonoverdracht. Omdat in het GFP de overdracht van het proton onder invloed van licht verloopt langs een korte keten van een watermolecuul en twee aminozuren, en deze reactie actief gestuurd kan worden met reeksen van laserpulsen, kan het GFP worden beschouwd als een aantrekkelijk en compact modelsysteem om het principe van protonoverdracht in biologische systemen goed te begrijpen. Dat geeft de uitkomsten van het Amsterdamse onderzoek ruimere betekenis.

Meer informatie bij dr. Joh Kennis, telefoon (020) 598 79 37 of bij prof.dr. Rienk van Grondelle, telefoon (020) 598 79 30.

*John Kennis, Delmar Larsen, Ivo van Stokkum, Mikas Vengris, Jasper van Thor en Rienk van Grondelle