Mini-eiwit kan op twee manieren tegelijk vouwen
Wetenschappers van de Universiteit van Amsterdam hebben met computersimulaties laten zien dat een specifiek mini-eiwit op twee manieren kan opvouwen vanuit de ongevouwen toestand. De ene manier is daarbij viermaal zo waarschijnlijk dan de andere. Uit decennialang eiwitonderzoek was bekend dat er twee algemene manieren van eiwitvouwing bestaan. Verrassend is dat de Amsterdamse onderzoekers nu hebben aangetoond dat beide manieren tegelijk in één eiwit kunnen voorkomen. Het begrijpen van eiwitvouwing is essentieel om te begrijpen welke functie een eiwit heeft. De resultaten verschenen op 11 oktober in de online-versie van de Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), en worden later ook in het gelijknamige tijdschrift gepubliceerd.
Eiwitten zijn de moleculaire werkpaarden in alle levende organismen. Ze spelen onder andere een cruciale rol in de celstructuur, in het transport van voedingsstoffen en in de aanmaak van lichaamseigen stoffen. Elke lichaamscel bevat een celkern met daarin het volledige erfelijke materiaal, het dna. Op dit DNA liggen de genen, die de moleculaire code bevatten voor de vorming van eiwitten. De eiwitten zelf hebben een complexe driedimensionale structuur.
De bouwstenen van eiwitten zijn aminozuren. Van de meeste eiwitten kennen we weliswaar de volgorde van de bouwstenen, maar niet hoe ze in hun actieve vorm zijn gevouwen tot een driedimensionale structuur. De grote vraag is of we kunnen voorspellen welke vouwing het meest stabiel is. Daarvoor zijn computersimulaties nodig, alleen is het probleem dat er zoveel manieren zijn waarop een rechte keten van eiwitbouwstenen kan opvouwen tot een driedimensionaal eiwit. Een middelgroot eiwit bestaande uit honderd aminozuren kan in theorie typisch op zo'n 1090 mogelijke manieren opvouwen. Computersimulaties proberen voor kleine eiwitten te achterhalen welke van die mogelijkheden in de praktijk wel en niet voorkomen. Middelgrote en grote eiwitten liggen voorlopig nog buiten het rekenbereik van de huidige simulatietechnieken. Als we weten hoe de eiwitstructuur eruitziet en hoe deze tot stand komt, kunnen we beter begrijpen wat de functie van het eiwit is.
Kunstmatig mini-eiwit
UvA-onderzoeker Peter Bolhuis – aangesteld op een FOM-springplankpositie en sinds kort ook deeltijdhoogleraar aan de UvA – en promovendus Jarek Juraszek bestudeerden de vouwing van een kunstmatig mini-eiwit bestaande uit twintig aminozuren. Het is speciaal ontworpen om snel te vouwen, maar heeft toch alle karakteristieken van een eiwit. Waar een typisch natuurlijk eiwit een vouwingstijd heeft die ligt tussen milliseconden en een seconde, vouwt het onderzochte eiwit zich in vier microseconden op. Dat verkort de tijd van de computersimulaties aanzienlijk.
Alle atomen waaruit het eiwit bestaat (zo'n driehonderd) worden meegenomen in de simulatie. Anders dan in eerdere simulaties, wordt ook de waterige oplossing waarin het eiwit zich in een echte cel zich bevindt, gesimuleerd. In totaal omringen ongeveer drieduizend watermoleculen het gesimuleerde eiwit. Zonder een extra truc zou het simuleren van het spontane vouwen van dit kleine eiwit enkele jaren in beslag nemen.
In de praktijk van de levende cel is er een dynamisch evenwicht van het eiwit in gevouwen en ongevouwen toestand: beide toestanden komen naast elkaar voor. Om van de ongevouwen naar de gevouwen toestand te gaan – en ook voor de omgekeerde weg – moet het eiwit een energiebarrière overwinnen. Door selectief in te zoomen op deze energiebarrière, hebben de onderzoekers de simulaties met een factor duizend versneld. Zo voerden Bolhuis en Juraszek voor de eerste keer een simulatie uit die zonder versimpelingen alle vouwpaden van een eiwit in een oplossing van begin tot eind uitrekent.
Dominante vouwingsroute
Hoewel er in theorie veel meer vouwingsmogelijkheden bestaan, blijkt een eiwit in de praktijk vaak slechts één globale route te volgen. Het is alsof je vanuit Zuid-Duitsland over de Alpen naar Italië wilt reizen, waarbij je in theorie vele mogelijkheden hebt, maar waarbij je in de praktijk veelal een weg kiest die loopt via de Brennerpas. Uit de simulaties van de UvA-onderzoekers volgt echter dat het bestudeerde mini-eiwit in tachtig procent van de gevallen de ene vouwingsroute kiest (L) en in twintig procent van de gevallen een andere route (I). Eerdere simulaties met een minder nauwkeurige techniek, gaven een tegengesteld resultaat: daarin was de I-route juist dominant.
Tot verrassing van de onderzoekers bleek elk van beide routes (I en L) model te staan voor een van de twee algemene klassen van eiwitvouwing. Op de eerste manier bouwen lokale eenheden zoals helixen zich stap voor stap op, waarna de eenheden door diffusie tegen elkaar aan botsen en uiteindelijk de gevouwen eiwitstructuur vormen. Op de tweede manier is er een soort condensatiekern waaromheen de rest van het eiwit als het ware condenseert. Dat beide, geheel verschillende mechanismen naast elkaar kunnen bestaan in de vouwing van één soort eiwit, was nog niet eerder waargenomen in een simulatie. In hoeverre dit fenomeen ook voorkomt bij grotere, natuurlijke eiwitten is echter nog onbekend.
Een derde belangrijk resultaat is dat het simuleren van de waterige oplossing juist essentieel is om de juiste eiwitvouwing te laten ontstaan. Eerdere computersimulaties namen het effect van het water alleen maar op een gemiddelde manier mee, zonder individuele watermoleculen te laten wisselwerken met het vouwende eiwit.
Beter begrip eiwitfunctie
Het onderzoek van Bolhuis en Juraszek heeft laten zien dat het nu in principe mogelijk is om met gedetailleerde computersimulaties de precieze vouwmechanismen van eiwitten in een waterige oplossing te voorspellen. Dit zal in de toekomst leiden tot een beter begrip van de functie van eiwitten.
Het artikel is getiteld:
Sampling the multiple folding mechanisms of Trp-cage in explicit solvent, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS), Jarek Juraszek en Peter Bolhuis.
Voor meer informatie kunt u contact opnemen met: Jarek Juraszek (020) 525 64 92 of dr. Peter Bolhuis (020) 525 64 47.