Aan het elektronensynchrotron-instituut DESY in Duitsland hebben onderzoekers rond Henry Chapman een kristallografische techniek ontwikkeld om biomoleculen zoals eiwitten helder in beeld te krijgen. Volgens Chapman is met de nieuwe techniek de structuur voor grote eiwitcomplexen op atoomschaal te bekijken. Die structuur speelt een wezenlijk rol in hun functioneren en is voor onschatbare waarde voor de ontwikkeling van therapieën voor veel ziektes. Bij DESY spreken ze al over een revolutie op het gebied van kristallografie.
Het achterhalen van de molecuulstructuur van eiwitten en andere biomoleculen is een taaie bezigheid. Allereerst moet een eiwit kristalliseren, waarna met behulp van röntgenstraling de kristalstructuur wordt bepaald aan de hand van zogeheten Bragg-pieken. De positie en de hoogte van die pieken geeft informatie over de molecuulopbouw. Op deze manier is al de molecuulstructuur van tienduizenden eiwitten en andere biomoleculen bepaald.
Het probleem hierbij is dat veel biomoleculen niet netjes uitkristalliseren, waardoor de structuur slechts bij hele grove benadering is vast te stellen. Dat geldt vooral voor grote eiwitten zoals die voorkomen in het celmembraan. Juist deze eiwitten zijn voor het ‘begrijpen’ en bestrijden van ziektes van van groot belang.
De tweede barrière is dat op basis van het kristallogram de structuur van ingewikkelde moleculen met vele tienduizenden atomen zelfs met een net biomolecuulkristal nog steeds uitzonderlijk lastig is te bepalen. Chapman: “Het lijkt een beetje op een driedimendionale sudoku met miljoenen vakjes, maar met maar de helft van de noodzakelijke aanwijzingen.” In de kristallografie wordt dat het faseprobleem genoemd. Zonder de fase te kennen, de afstand tussen de pieken van de verstrooide golven, is het niet mogelijk een beeld van de molecuulstructuur te halen uit een verstrooiingspatroon. Fases kunnen niet gemeten worden. Om dat probleem op te lossen moet de onderzoeker meer weten dan de gemeten Bragg-pieken. Die extra informatie kan te halen zijn uit het diffractiepatroon (het spectrum) van chemisch veranderde moleculen of van verwante moleculen waarvan de structuur al bekend is.
Chapman bedacht dat het faseprobleem en de ‘onmeetbaarheid’ van rommelige kristallen iets met elkaar te maken hebben. De kern van die problemen zou liggen in de zwakke ‘continue’ (in plaats van discreet) verstrooiing die bij de rommelige kristallen te zien is. Dat heet dan niet-Bragg-verstrooiing. Die wordt als hinderlijk beschouwd, hoewel die inzicht kan geven in de trillingen en bewegingen in een molecuul, maar als de onordelijkheid (van het kristal) alleen een verschuiving is van de ‘ideale’ positie in een kristal dan is die non-Bragg-informatie allesbehalve diffuus en kan meer informatie opleveren dan de analyse van de Bragg-pieken, dachten de onderzoekers. “Als we röntgenstralen loslaten op een enkel molecuul, dan ontstaat er een diffractiepatroon zonder Bragg-pieken”, zegt medeonderzoeker Kartik Ayyer. “Het patroon wordt dan heel erg zwak en moeilijk te meten, maar de ‘achtergrond’ in onze kristalanalyse is als het ware een verzameling van opnames van moleculen in een kristalrooster. We gebruiken dat kristal eigenlijk om een hele reeks afzonderlijke moleculen die netjes in een rooster zitten te bestralen.” Met rommelige kristallen vult die ‘achtergrond’ (de non-Bragg-informatie) de ruimte tussen de Brag-pieken. Die bevat meer informatie dan uit de normale kristallografie te halen is. Daar zou het faseprobleem mee op te lossen zijn. In de sudoku-vergelijking betekent dat er nu voldoende informatie is om een juist antwoord te vinden.
‘Revolutie’
Die ontdekking zou een revolutie betekenen in de wereld van de kristallografie: de nette kristallen zijn niet langer het makkelijkst te analyseren. “Voor het eerst kunnen we röntgenverstrooiing toepassen op een enkel molecuul”, zegt Chapman. “We wisten al lang hoe we de verstrooiing van een enkel molecuul moesten oplossen als we die maar konden meten.” De omzetting van een verstrooiingspatroon in een molecuulstructuur wordt tegenwoordig gedaan met behulp van laserachtige röntgenstralen met behulp van krachtige algoritmes om direct het faseprobleem op te lossen, zonder dat je iets hoeft te weten over het molecuul. “Je hoeft niks van scheikunde te weten, maar je kan die leren door naar het ruimtelijke beeld te kijken.”
Om te laten zien dat hun nieuwe analysemethode werkt maakten de onderzoekers gebruik van de krachtigste röntgenlaser bij SLAC van de Stanford-universiteit (VS). Ze ‘bekeken’ daarmee een membraaneiwit, Photosystem II, dat onderdeel uitmaakt van van het fotosynthesesysteem van planten. Het, berekende, beeld stelde niet teleur. “Dit is iets groots voor biomoleculen”, zegt Anton Barty van DESY. “We kunnen het oplossend vermogen nog verder verbeteren door meer opnames te maken.”
De onderzoekers hadden maar een paar uur de tijd voor hun experimenten. Normaal duren dergelijke metingen een paar dagen. Chapman: “We gaan nu kijken of we structuren van moleculen kunnen oplossen aan de hand van oude meetgegevens.”
Bron: EurekAlert