Verbonden aan een stukje DNA (geel) trekt helicase (rood) het eiwit (paars) door een porie (groen) waarbij een stroom (oranje) wordt gemeten (afb: Dekker et.al.)

Met een nanoporie-techniek kun je DNA nucleotide voor nucleotide ‘lezen’.  Het schijnt dat onderzoekers van de TU in Delft en de universiteit van Illinois die techniek hebben gebruikt om ook eiwitten aminozuur voor aminozuur te lezen. Op die manier zou je alle eiwitten kun bepalen in een cel en daarmee de genexpressie (-activiteit) ervan kunnen vaststellen.
Eiwitten worden vaak de werkpaarden van het leven genoemd. Ze vervullen een hele reeks functies die ervoor zorgen dat een cel in leven blijft. De eiwitten, het zal je bekend zijn, bestaan uit reeksen van slechts twintig verschillende (essentiële) aminozuren. In een gen bepalen drie opeenvolgende nucleotiden (of A, T, G of C) welke aminozuurvolgorde een eiwit krijgt.
Het uiteindelijk resultaat (dat eiwit wordt grotendeels gesynthetiseerd in het ribosoom) krijgt echter nog enkele nabewerkingen. De huidige manieren om eiwitten te bepalen zijn duur en beperkt tot grote hoeveelheden. Het dan lastig om weinig voorkomende eiwitten in een cel te bepalen.

Met deze nieuwe techniek is de structuur (eigenlijk de aminozuurvolgorde) van elk eiwit in een cel te bepalen.
“In de laatste dertig jaar heeft de nanoporietechniek zich ontwikkeld van idee tot een werkend systeem”, zegt Cees Dekker van de Delftse TU. “Dat heeft zelfs geleid tot handzame apparaatjes. Wij breiden dat idee uit tot het ‘lezen’ van eiwitten. Dat zou grote gevolgen kunnen hebben voor eiwitonderzoek en diagnostiek.” Overigens dook bijna twee jaar geleden eenzelfde verhaal op waarbij ook de universiteit van Illinois was betrokken. Dit verhaal is een stap richting praktijk.

Een aminozuur

Je meet met die techniek de stroomverschillen terwijl je die aminozuurketen met behulp van een DNA door een piepklein gaatje trekt. Dekker: “Het mooie van deze techniek is dat je een enkele peptidestreng (een peptide is een klein eiwit; as) keer op keer kunt lezen. We middelen dan die metingen voor een enkel molecuul, waardoor de nauwkeurigheid 100% wordt.”

Op die manier waren ook eiwitten van elkaar te onderscheiden die maar een aminozuur anders hebben. De groep van Alek Aksimentiev in Illinois heeft zich beziggehouden met de dynamische simulaties die aantoonden hoe de ionenstroom in de nanoporie wijzen op welk aminozuur.
Toch schijnen de onderzoekers nog niet klaar te zijn met hun ontwerp. “We moeten de signalen van een groot aantal peptiden nog karakteriseren om een lijstje te maken van stromen die wijzen op een aminozuurvolgorde”, zegt medeonderzoeker Henry Brinkerhoff. “Het onderscheidingsvermogen bij een aminozuur verschil is echter al een belangrijk voordeel. Er zijn veel toepassingen waarvoor deze techniek nu al bruikbaar is.”

In theorie kun je met die twintig aminozuren een eindeloze hoeveelheid eiwitten bouwen. In het echt zijn er zeker miljoenen, die de ‘donkere materie’ van de biologie worden genoemd. Nadat het eiwit is gesynthetiseerd worden er nog allerlei veranderingen aangebracht door er, bijvoorbeeld, een suiker- en/of fosfaatgroep aan te hangen. Dekker: “Die veranderingen zijn wezenlijk voor de functie, maar ook een kenmerk voor ziektes zoals kanker. We denken met deze aanpak deze veranderingen te kunnen detecteren, waardoor we een beeld krijgen welke eiwitten we met ons meedragen.”

Bron: Science Daily