Catch me if you can: een revolutionaire methode om een enkel eiwit te bestuderen

Nieuws - 30 augustus 2021 - Communication TNW

Onderzoekers van de technische universiteiten van Delft en München hebben een nieuw type moleculaire val ontwikkeld dat een afzonderlijk eiwit urenlang op zijn plaats kan houden voor gedetailleerd onderzoek – een miljoen keer langer dan voorheen mogelijk was. Dankzij de nieuwe NEOtrap-techniek kunnen wetenschappers de dynamische aard van eiwitten onderzoeken, wat kan leiden tot nieuwe innovaties in de biomedische wetenschappen, biotechnologie, en meer.

Eiwitten spelen een cruciale rol in het leven – ze zorgen bijvoorbeeld voor zicht en de neurale verbindingen die nodig zijn om deze tekst te lezen – maar de kennis over de dynamica van eiwitten is nog steeds beperkt. Onderzoek door een team onder leiding van Cees Dekker van de TU Delft, dat maandag 30 augustus gepubliceerd wordt in Nature Nanotechnology, heeft tot een nieuwe techniek geleid – de Nanopore Electro-Osmotic trap (NEOtrap) – waarmee afzonderlijke eiwitten veel langer bestudeerd kunnen worden dan tot nu toe mogelijk was. De NEOtrap stelt de onderzoekers in staat om nauwkeurig te meten hoe afzonderlijke eiwitten van tijd tot tijd van vorm veranderen.

Als een kurk op een fles

De NEOtrap combineert twee nanotechnologieën: vaste stof nanogaatjes en DNA-origami. Nanogaatjes zijn minuscule gaatjes die wetenschappers als sensoren gebruiken voor afzonderlijke moleculen zoals eiwitten. Normaal gesproken verblijft een eiwit slechts een paar microseconden in zo’n gaatje, waardoor er maar zeer kort informatie kan worden verzameld. Door het nanogaatje als een kurk op een fles af te sluiten met een nanobal gemaakt van louter DNA (!), kunnen de onderzoekers een eiwit urenlang vasthouden en bestuderen. Hendrik Dietz en zijn groep aan de Technische Universiteit München hebben deze nanobal gemaakt met behulp van ‘DNA-origami’ – een techniek die de vouwtechnieken van origami op macroschaal nabootst, maar dan met DNA in plaats van papier.

Sonja Schmid, eerste auteur van het artikel, legt uit hoe zij als postdoc in Dekkers lab de NEOtrap ontwikkelde: ‘De DNA-origami nanobal gedraagt zich als een spons die water door het nanogaatje aanzuigt. Daarmee trekt het een afzonderlijk eiwit aan en vangt het deze in het nanogaatje. Het eiwit kan hierdoor over een zeer lange periode bestudeerd worden. We hebben al laten zien dat we met onze techniek onderscheid kunnen maken tussen verschillende soorten eiwitten, en zelfs tussen de verschillende vormen die een enkel eiwit kan aannemen.’

Een radicale doorbraak

‘Deze techniek is echt een grote stap voorwaarts,’ zegt Cees Dekker. ‘Een anonieme reviewer van ons artikel noemde het “een van de grootste doorbraken op het gebied van nanopore sensing”. Extra bijzonder is dat de NEOtrap ons in staat stelt om een afzonderlijk eiwit in zijn natuurlijke vorm te bestuderen, dus zonder dat we het molecuul eerst chemisch moeten modificeren zoals bij andere technieken gebruikelijk is. De NEOtrap kan onderzoekers bijvoorbeeld helpen bij het ontrafelen van het onderliggende mechanisme waarmee enzymen en andere belangrijke eiwitten hun vorm aanpassen om chemische reacties mogelijk te maken.’

Dankzij de NEOtrap kunnen wetenschappers wereldwijd geheel nieuwe experimenten uitvoeren, waarmee ze tot nu toe onbekende functies van eiwitten kunnen ontdekken en een stroom aan innovaties op gang kunnen brengen in de biomedische wetenschappen, biotechnologie, en dergelijke. Schmid (die ondertussen in Wageningen haar eigen lab heeft opgericht) en Dekker zullen de komende jaren veel vervolgonderzoek doen naar de dynamica van afzonderlijke eiwitten.

Artist impression van de Nanopore Electro-Osmotic trap (NEOtrap) – een nieuwe methode voor analyse van enkele moleculen. Een DNA-origami nanobal sluit een vaste stof nanogaatje af, waardoor deze enkele ongemodificeerde eiwitten kan vangen, wat urenlange conformatie-gevoelige analyses mogelijk maakt. [Beeld: Cees Dekker Lab / SciXel]
/* */