Je leest:

Chemie in een miljardste milliliter

Chemie in een miljardste milliliter

Als prof. dr. Jacques Neefjes over zijn werk vertelt – hij bestudeert chemische processen in levende cellen – lijken kliniek en patiënten ver weg. Tijdens zijn oratie legde hij uit waarom hij als chemicus toch heel goed op zijn plaats is in het LUMC. ‘Dit is een tussengebied waar maar weinig onderzoekers actief zijn. Maar juist op zulke tussengebieden kun je grote wetenschappelijke vooruitgang boeken.’

“Een van mijn dromen is ‘single cell biochemie’ te bedrijven, dat wil zeggen; om chemische reacties in een enkele cel te bestuderen en te manipuleren,” vertelde prof. dr. Jacques Neefjes tijdens zijn oratie op dinsdag 26 september 2000. Hij vindt het niet alleen fascinerend om zo de processen die zich in cellen afspelen zichtbaar te maken, maar ook belangrijk voor onderzoek op het gebied van infectieziekten, auto-immuunziekten, orgaantransplantaties en kanker.

Neefjes is sinds april 1999 als bijzonder hoogleraar vanwege de Vereniging het Nederlands Kanker Instituut verbonden aan de afdeling Immunohematologie en Bloedbank van het LUMC en werkt hier tien procent van zijn tijd. Daarnaast is hij hoofd van de afdeling Tumorbiologie aan het Nederlands Kanker Instituut / Antoni van Leeuwenhoek ziekenhuis in Amsterdam. De nieuwe hoogleraar is van huis uit chemicus; hij studeerde scheikunde aan de Vrije Universiteit van Amsterdam. “De softies onder de scheikundestudenten kozen voor biochemie,” grinnikt hij. “Ik ook. Ik wilde me verdiepen in de vraag hoe eiwitten functioneren.”

Eiwitten in levende cellen

En dat is tegenwoordig precies zijn werkterrein. Maar anders dan de meeste biochemici, die scheikundige reacties bestuderen in glas (reageerbuisjes, petrischalen, epjes) wil Neefjes eiwitten zien functioneren op hun normale werkplek. In levende cellen dus. Hij sprong daarom in het gat tussen de moleculaire biologie enerzijds en de immunologie anderzijds. “Immunologen bekijken het afweersysteem of immuunsysteem dat infecties bestrijdt en orgaantransplantaties bemoeilijkt, dat soms ontspoort en dan auto-immuunziekten als reuma, multipele sclerose en suikerziekte veroorzaakt en dat ook kan worden ingezet in de strijd tegen kanker. Zij kijken hoe de afweercellen die deel uitmaken van het afweersysteem zich gedragen, ze willen onder meer weten hoe immuuncellen kankercellen of geïnfecteerde cellen herkennen. Wij zijn nu geïnteresseerd in de moleculaire, dus chemische processen waarop dat gedrag berust. Daarmee zitten we in een tussengebied, waar maar weinig onderzoekers actief zijn. Maar juist op zulke tussengebieden kun je grote wetenschappelijke vooruitgang boeken.”

Waarin verschilt single cell biochemie van de gebruikelijke ‘glasbiochemie’? “Een cel heeft structuur. Bepaalde moleculen, waaronder eiwitten, zitten op bepaalde plaatsen. Voor het verloop van chemische reacties in een cel is het van belang welke moleculen zich waar bevinden en hoe ze naar elkaar verplaatst kunnen worden. Dat is heel anders dan in een reageerbuis, die je schudt zodat de moleculen door elkaar gehusseld worden. In een cel gebeuren daardoor andere dingen.”

Maar het is niet gemakkelijk om chemische reacties in een enkele cel te bestuderen of zelfs, zoals Neefjes wil, chemische reacties in gang te zetten of af te remmen. Cellen zijn immers uiterst klein, hun inhoud bedraagt slechts een miljardste milliliter en daarbinnen zitten organellen die nog eens ordes van grootte kleiner zijn. Er zijn foefjes nodig om daarin biochemie te bedrijven, oftewel: onderzoekers moeten ingenieuze technieken beheersen en die slim weten toe te passen.

Neefjes: “Ik pleit er altijd voor dat onderzoeksgroepen twintig tot veertig procent van hun tijd besteden aan het ontwikkelen van nieuwe technieken. Want als je een nieuwe techniek uitdenkt, kun je die vanzelf als eerste toepassen en er een nieuwe weg mee inslaan.” In zijn onderzoeksgroep worden twee technieken veel gebruikt. De ene is micro-injectie: met een uiterst dunne naald kunnen de onderzoekers allerlei stofjes in een cel inbrengen. De andere is het gebruik van een groen fluorescerend eiwitdeel, dat bij een kwal gevonden is en nu in het lab kan worden nagemaakt; onderzoekers hangen dat kwallen-eiwitdeel als een lampje aan de eiwitten die ze willen bestuderen en kunnen die gemerkte eiwitten vervolgens met een microscoop gemakkelijk terugvinden en volgen.

Snelle reactie op virusinfectie

Een voorbeeld van wat de Amsterdamse groep van Neefjes met deze technieken ontdekt hebben, stond het afgelopen voorjaar in een publicatie in Nature. De onderzoekers kwamen er achter hoe ons afweersysteem snel kan reageren op bijvoorbeeld een virusinfectie. Een afweerreactie kan pas op gang komen als de controleurs waarover het afweersysteem beschikt, de T-cellen, afwijkende cellen ontdekt hebben. Elke cel in ons lichaam laat zich voortdurend door die T-cellen controleren en geeft daartoe aan de buitenkant een indruk van wat hij in huis heeft. Op het celoppervlak bevinden zich namelijk honderden houdertjes (in vaktermen: MHC-moleculen, die behoren tot het Major Histocompatibility Complex) die een soort grof vuil vast hebben: fragmentjes van eiwitten die in de cel zijn afgebroken.

Zijn die fragmentjes afkomstig van een normaal eiwit, dan laat het afweersysteem de cel met rust. Maar zijn er fragmenten bij van een eiwit dat er niet zou mogen zijn, bijvoorbeeld dat van een virus, dan slaan de T-cellen alarm en wordt de cel vernietigd. “We dachten dat de fragmentjes die de MHC-moleculen tonen allemaal afkomstig waren van oude, versleten, afgedankte eiwitten,” zegt Neefjes. “Maar via een serie experimenten kwamen we er achter dat ze, verrassend genoeg, meestal juist van nieuw gemaakte eiwitten afkomstig zijn. En dat heeft consequenties voor de snelheid waarmee het afweersysteem kan reageren als er iets mis is.”

Hij beschrijft eerst die experimenten. Als eiwitten worden afgebroken, worden de afbraakproducten (eiwitfragmenten) via moleculaire pompen (TAP-pompen geheten) in het zogenoemde endoplasmatisch reticulum (een membraansysteem) gepompt en daar aan MHC-moleculen gekoppeld; die worden ten slotte naar het celoppervlak gebracht. Neefjes nam onder meer die TAP-pompen onder de loep, die in het membraan van het endoplasmatisch reticulum ronddrijven. Door er het fluorescerend eiwitdeel uit de kwallen aan te hangen, konden hij en zijn medewerkers meten met welke snelheid de pompen ronddrijven.

De techniek van micro-injectie

Ze maten ook of die snelheid verandert als de pompen meer of minder werk te verzetten hebben. Hier kwam de techniek van micro-injectie aan te pas. De onderzoekers injecteerden kleine eiwitfragmenten in een cel, zodat de TAP-pompen extra werk te doen krijgen en constateerden dat dan de mobiliteit afnam: de pompen dreven trager rond. Als ze daarentegen een stofje injecteerden dat de afbraak van eiwitten remt en zo de pompen werkloos maak

Dat kun je ook omkeren, bedacht Neefjes: uit de mobiliteit van de pompen is af te leiden hoeveel eiwitfragmenten er voorhanden zijn. En vanuit dat idee zochten zijn medewerkers vervolgens uit waarvan die fragmenten eigenlijk afkomstig zijn. Ze infecteerden bijvoorbeeld cellen met een griepvirus, dat zich in die cellen ging vermenigvuldigen. Dat leek de pompen al vrij snel met extra werk op te zadelen, want al na twee uur waren ze minder mobiel, dus drukker met pompen. Omdat aan de cel verder niets veranderd was, moesten de te pompen fragmenten haast wel van het virus afkomstig zijn.

In een ander experiment legden de onderzoekers de celmachinerie die verantwoordelijk is voor de aanmaak van eiwitten stil. Ze merkten dat de pompen dan al met een kwartier mobieler, dus werkloos werden. Kennelijk kwam meteen ook de afbraak van eiwitten op een lager pitje te staan. Er is maar één verklaring voor beide experimenten: het zijn niet allemaal oude, maar vooral zojuist aangemaakte eiwitten die afgebroken worden. Dat lijkt misschien vreemd. Maar andere onderzoekers ontdekten inmiddels dat er in cellen haastig gewerkt wordt. Er worden in een hoog tempo eiwitten geproduceerd die voor een behoorlijk deel (bijna eenderde) misbaksels zijn en meteen weer worden gekraakt. Wat het afweersysteem betreft is die slordigheid een voordeel. Omdat er bijvoorbeeld bij een virusinfectie al heel snel nieuw gemaakte viruseiwitten worden afgebroken, kan het afweersysteem snel in actie komen.

Neefjes’ echte droom

Met dit en soortgelijk onderzoek gaat Neefjes na hoe de MHC-moleculen aan de eiwitfragmentjes komen die ze vasthouden en wat voor fragmentjes dat zijn. Zo hoopt hij beter te gaan begrijpen hoe het afweersysteem precies werkt, wat van belang is bij infectieziekten en orgaantransplantaties en waarom het wel eens faalt. Anders gezegd: waarom valt het afweersysteem soms gezonde cellen aan, zodat auto-immuunziekten ontstaan, en waarom herkent het een kankercel vaak niet als afwijkend, zodat er een tumor gaat groeien. Dat zou kunnen liggen aan de eiwitfragmentjes die de MHC-moleculen aan het afweersysteem tonen. De echte droom van Neefjes is het om de chemische processen die hierachter liggen te kunnen bijsturen.

Hij werkt dan ook in het LUMC samen met mensen die het immuunsysteem proberen te manipuleren. Onder meer met prof. dr. C.J.M. Melief, die het afweersysteem wil activeren om kankercellen te doden. Met dr. T.H.M. Ottenhoff, die de afweer tegen infectieziekten als tuberculose en lepra bestudeert. En met prof. dr. E. Wiertz, die de afweer tegen virussen als onderzoeksterrein heeft. Daarnaast werkt hij ook met dr. J.W. Drijfhout, die chemie van peptiden (eiwitfragmenten) doet.

Dit artikel is een publicatie van Cicero (LUMC).
© Cicero (LUMC), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 29 september 2000

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.