Massamicroscoop meet verdeling van biomoleculen in cellen en weefsel

Eén loot aan de stam van nieuwe moleculaire afbeeldingtechnieken is de massamicroscoop. Deze combineert massaspectrometrie, dé standaardtechniek om de identiteit en de structuur van bijvoorbeeld eiwitten te bepalen, met het vermogen tegelijk ook de plaats van de bestudeerde biomoleculen vast te stellen. Een groep onder leiding van Ron Heeren heeft in het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam een massamicroscoop ontwikkeld. Deze massamicroscoop kan een breed scala aan massabepalingen van biomoleculen op het niveau van een cel of binnen een cel koppelen aan plaatsbepaling van die moleculen met een ruimtelijke resolutie van enkele micrometers (een micrometer is een duizendste millimeter). Om dit mogelijk te maken heeft FOM-promovendus Stefan Luxembourg een bestaande techniek (MALDI geheten, naar matrix assisted laser desorption/ionization) gecombineerd met ionenmicroscopie (ionen zijn moleculen voorzien van een elektrische lading). MALDI voorziet met behulp van een laserpuls moleculen - bijvoorbeeld biomoleculen zoals eiwitten in een monster van biologisch weefsel - van een elektrische lading. De geladen moleculen - ze zijn dan dus ionen - kunnen intact naar het vacuüm van een massaspectrometer geleid worden. In een massaspectrometer stuurt een elektrisch veld de ionen naar een detector en scheidt ze op massa. Zware deeltjes bewegen namelijk langzamer dan lichtere deeltjes. Op de detector arriveren lichtere deeltjes eerder dan de zwaardere deeltjes en zo worden die deeltjes naar hun massa onderscheiden. Uniek in het Amsterdamse instrument is nu dat door toepassing van elektrostatische lenzen de ruimtelijke verdeling van de ionen op de detector overeenkomstig blijft met de ruimtelijke verdeling van de moleculen in het oorspronkelijke monster. Bovendien projecteren de lenzen een honderd maal vergrote afbeelding van de verdeling van biomoleculen uit het monster op de detector. De afbeelding op de detector wordt gevormd door de ionen (en niet door licht). Het instrument werkt dus als een ionenmicroscoop, die daadwerkelijk een afbeelding maakt van de verdeling van de biomoleculen zoals die in het monster is.

Luxembourg heeft deze methode verder ontwikkeld voor laserlicht in het ultraviolet en het infrarood (UV-MALDI en IR-MALDI), om een zo breed mogelijk spectrum aan biomoleculen te kunnen ioniseren en dus afbeelden. De snelheid waarmee afbeeldingen kunnen worden gemaakt, hangt in het Amsterdamse instrument hoofdzakelijk af van de frequentie waarmee de laserpulsen kunnen worden geproduceerd. Nu is dit nog 12 keer per seconde, maar in de nabije toekomst zal het mogelijk zijn 1000 afbeeldingen per seconde te maken. De massamicroscoop bij AMOLF kan, zoals Luxembourg in zijn onderzoek nu heeft aangetoond, afbeeldingen maken van een breed spectrum aan biomoleculen, met een ruimtelijk oplossend vermogen dat beter is dan wat tot nog toe mogelijk was, en veel sneller dan met bestaande technieken kan. Een groot voordeel van de nieuwe techniek is dat te bestuderen moleculen niet vooraf van een waarneembaar label hoeven te worden voorzien. Daardoor is de techniek uitermate waardevol als 'discovery tool'. Met labelen worden immers alleen bekende moleculen gemerkt.

De nieuwe technieken die Luxembourg ontwikkeld heeft bieden perspectief voor onderzoek op het gebied van de farmacie en de medische en moleculaire biologie. Zo zal het mogelijk worden de opname en afbraak van geneesmiddelen te bestuderen. Ook plaatselijke veranderingen in de tot expressie gebrachte eiwitten zullen zichtbaar gemaakt kunnen worden. Dit is van groot belang voor het beter doorgronden van ziekten met een erfelijke component.

Meer informatie bij prof.dr. Ron Heeren of drs. Stefan Luxembourg, telefoon AMOLF: (020) 608 12 34.