Nieuwe optische methode volgt losse eiwitten in beweging

Afbeelding Universiteit Twente

Eiwitten worden vaak afgebeeld als vaste 3D-structuren, met één vorm per molecuul. In werkelijkheid zijn ze rusteloos. Ze buigen, ontvouwen, herstellen en wisselen van vorm terwijl ze medicijnen vervoeren, andere moleculen binden en biologische processen aansturen. Die bewegingen zijn essentieel voor het leven, en ze zijn lastig om rechtstreeks waar te nemen, zeker bij één eiwit dat vrij door een vloeistof beweegt. Een los eiwit bekijken betekent meestal dat je het vastzet of er een merker aan hangt, en allebei kunnen het gedrag veranderen.

Technisch ontworpen metavlak
Elk molecuul trilt op een eigen, kenmerkende manier. Ramanspectroscopie kan die trillingen meten en zo chemische en structurele informatie zichtbaar maken. Het signaal van één eiwit is normaal gesproken veel te zwak om te meten. Het team loste dit op met een metasurface, een speciaal ontworpen oppervlak van dicht opeengepakte goudnanodeeltjes op een goudfilm.

Als er licht op het oppervlak valt, bundelt dat zich in piepkleine gebieden met een sterk geconcentreerd elektromagnetisch veld. Een eiwit dat door zo’n gebied beweegt, geeft een tien miljoen keer zo sterk Ramansignaal. Uit dat signaal konden de onderzoekers de secundaire structuur van het eiwit aflezen en α-helices, β-sheets, β-turns en random-coilstructuren van elkaar onderscheiden.

De onderzoekers hoefden het eiwit niet te voorzien van een fluorescerend label, een chemische merker of een mechanische verankering. Daardoor blijft het natuurlijke gedrag intact. Ze testten de methode op runderserumalbumine, een veelgebruikt model voor humaan serumalbumine, het belangrijkste transporteiwit in het bloed. Albumine vervoert vetzuren, hormonen en veel medicijnen.

Het energielandschap in kaart brengen
Doordat de metingen één eiwit tegelijk werden gedaan, kon het team verder kijken dan gemiddelde structuren. Ze reconstrueerden vrije-energielandschappen, die laten zien welke vormen een eiwit het vaakst aanneemt en welke zeldzamer maar nog steeds mogelijk zijn. Ook brachten ze de routes tussen de vormen in kaart. De belangrijkste overgangen liepen tussen α-helix en β-sheet, en tussen α-helix en random coil.

“Onze methode geeft toegang tot het dynamische gedrag van individuele eiwitten onder bijna fysiologische omstandigheden”, zegt Femi Ojambati, die het onderzoek leidde. “Dat is belangrijk, want we kunnen meer leren over de functie van een eiwit vanuit het energielandschap en ook vanuit de routes tussen structuren.”

Touwtrekken om de vorm
Vervolgens onderzocht het team hoe de chemische omgeving de vorm van een eiwit stuurt. Ze brachten methyl-, carboxylaat- en aminegroepen aan op de metasurface, groepen die veel voorkomen in biologische en farmaceutische moleculen. Ook varieerden ze de pH van de oplossing van zuur naar neutraal en basisch. Elektrostatische krachten bepaalden de balans. Bij een neutrale pH wint meestal de natuurlijke α-helixvorm. Onder andere omstandigheden neigt het eiwit naar β-sheet- of random-coilvormen. Niet alleen de eiwitvolgorde, maar ook de omgeving bepaalde welke vorm het aannam.

Naar geneesmiddeltests op één eiwit
De techniek kan meer inzicht geven in het (verkeerd) vouwen en samenklonteren van eiwitten. Verkeerd vouwen en samenklonteren spelen een rol bij ziekten als Alzheimer, Parkinson en diabetes type 2. De onderzoekers zien het platform als een stap richting label-vrije biofysica op het niveau van één eiwit, in realistische vloeibare omgevingen. Met betere metasurface-ontwerpen kunnen mogelijk nog snellere veranderingen worden vastgelegd en kan de aanpak worden uitgebreid naar grotere biomoleculen, zoals nucleïnezuren, koolhydraten en eiwitcomplexen.

Het artikel Label-free single protein dynamics revealed by metasurface-enhanced Raman spectroscopy is geaccepteerd voor publicatie in ACS Nano. De auteurs zijn MohammadReza Aghdaee, Sharif Zaidouni, Yeganeh Bahiraie, Anupa Kumari en Oluwafemi S. Ojambati. Het onderzoek werd uitgevoerd bij de afdeling Applied Nanophotonics, faculteit Technische Natuurwetenschappen, en het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie van de Universiteit Twente.