Je leest:

Harder schieten om scherper te zien

Harder schieten om scherper te zien

Binnen een paar jaar is het mogelijk met een elektronenmicroscoop zó gedetailleerd te kijken dat de structuur van eiwitten ermee opgehelderd kan worden, verwacht prof. dr. Jan-Pieter Abrahams. Het apparaat dat zulke revolutionaire opnamen mogelijk moet maken, staat sinds kort in het Centrum voor Elektronenmicroscopie van het LUMC. “Straks kunnen we functionele eiwitten zo goed zien, dat we aan de vorm kunnen afleiden hoe ze werken.”

Ons lichaam wordt geregeerd door eiwitten. Ze zorgen voor chemische reacties, vangen signalen op en maken beweging mogelijk. Zonder eiwitten gebeurt er niets. Ieder eiwitmolecuul bestaat uit één of meer ketens van aminozuren, eventueel aangevuld met extra’s als metaalionen of suikerstaarten. De vorm van een eiwit is bepalend voor de taken die het molecuul kan verrichten. Daarom zou het zo handig zijn eiwitten te kunnen zien: als je weet hoe het molecuul in elkaar zit, weet je ook iets over de werking ervan.

Het maken van een preparaat om bijvoorbeeld virussen te bekijken verloopt in een aantal stappen. Eerst is het zaak de virussen op te zuiveren, opgelost in water. Vervolgens pak je een dun koperen gaasje met daarop een koolstofvlies met heel kleine gaatjes erin. Als je dat in de virusoplossing doopt, komt er in de gaatjes een watervliesje te liggen. Bij gaatjes van de juiste grootte zal er in het midden van het watervliesje een gebied liggen dat zó dun is dat er geen virusdeeltjes over elkaar heen liggen. Het preparaat moet direct na het opbrengen van het monster abrupt afgekoeld worden met vloeibare stikstof en bij een temperatuur van 170 graden onder nul blijven, ook tijdens het maken van de microscopische opname.

Elektronenmicroscopie vraagt om extreem dunne preparaten. Bovendien moeten de dingen die je wilt bekijken goed op hun plaats blijven. Een manier om dat te doen is bevriezing. Om de vorming van ijskristallen te voorkomen moet dat echter wel plotseling gebeuren.

Nu is het natuurlijk geen probleem om eiwit te zien te krijgen: tik een ei kapot en je bent klaar. Het ene eiwit is echter het andere niet. Bovendien weet je bij zo’n oppervlakkige aanblik nog niets over de vorm van de eiwitmoleculen waar je naar kijkt. Hoe kom je daar achter? Kijken met een lichtmicroscoop gaat niet, want daarvoor zijn de moleculen veel te klein. De golflengte van het licht gooit roet in het eten.

Recepten liggen vast

In het DNA liggen de recepten van alle eiwitten vast, de landkaart van het menselijke DNA raakt in hoog tempo bekend. Geeft dat misschien een mogelijkheid om de vorm van eiwitten te achterhalen? “Zo simpel ligt het helaas niet”, zegt prof. dr. Jan-Pieter Abrahams. “Je kunt niet zonder meer de driedimensionale vorm van een eiwit afleiden uit de aminozuurvolgorde die in het DNA ligt vastgelegd. Het aantal mogelijkheden is immens groot en de vorm van een eiwit hangt ook nog af van andere factoren.”

Abrahams is hoogleraar Biofysische Structuurchemie bij de Leidse faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen, maar spreekt deze woorden op LUMC-terrein. Naast hem zit dr. Henk Koerten, hoofd van het Centrum voor Elektronenmicroscopie van het LUMC. Samen zijn ze verantwoordelijk voor de komst van een apparaat dat het ‘zien’ van eiwitten veel gemakkelijker moet maken: een nieuw type elektronenmicroscoop. Het is een aanschaf waarmee Leiden in de voorhoede van een spannend vakgebied gaat meerennen, aldus de enthousiaste heren.

Enkele kamers verderop werken technici van Philips ondertussen hard aan de installatie van de microscoop. De eigenlijke microscoop staat op een betonplaat, die op een eigen heipaal rust teneinde doorgave van trillingen te voorkomen. Een paar meter ernaast staat een hoogspanningstank, waarin de benodigde elektronen versnelspanning wordt opgewekt. De apparatuur ziet er indrukwekkend uit, maar dat het geheel meer dan tweeënhalf miljoen gulden heeft gekost zie je er toch niet aan af.

Energie richt schade aan

Tot nu toe waren onderzoekers voor het ophelderen van eiwitstructuren aangewezen op de röntgenkristallografie, een moeizame techniek waarbij het te bekijken eiwit in zuivere vorm tot kristalvorming moet worden gebracht. Ingewikkeld, en voor sommige eiwitten onmogelijk. Een alternatieve methode is MRI (kernspinresonantie), maar daarvoor is relatief veel zuiver eiwit nodig, dat bovendien met niet-radioactieve isotopen gelabeld moet zijn. Eiwitten bekijken met een elektronenmicroscoop was tot dusverre ook geen optie. De techniek, waarbij een preparaat beschoten wordt met een bundel elektronen, kon heel sterke vergrotingen maken, maar de gedetailleerde opbouw van een eiwit zien was nog een brug te ver.

Dat er grenzen zijn aan de vergrotingsmogelijkheden van een elektronenmicroscoop komt niet in eerste instantie door de golflengte, zoals bij een lichtmicroscoop, legt Koerten uit. Er zijn andere factoren die bepalend zijn voor het oplossend vermogen. Eén daarvan is de energie van de deeltjes: “Elektronen zijn veel zwaarder en dus energierijker dan de fotonen waaruit licht bestaat. In een elektronenmicroscoop beschiet je een preparaat met elektronen die je erachter weer opvangt. Waar ze worden tegengehouden, zie je dan een donkere plek. Het resultaat is een soort zwartwitfoto. Een deel van de elektronen die niet door het preparaat heen komen, staat z’n energie af aan de omgeving: het preparaat dus. Die energie richt schade aan.”

Te veel elektronen op een preparaat afvuren levert daarom geen goed beeld. Abrahams: “Als je virussen in beeld wilt brengen met een elektronenmicroscoop, moet je oppassen dat je ze niet kapotschiet. Je kunt ze soms letterlijk uit elkaar zien spatten door een te zwaar elektronenbombardement.” Te weinig elektronen gebruiken is echter ook niet alles, legt hij uit: je krijgt dan een soort onderbelichte foto.

Zo hard mogelijk vuren

“Misschien is het goed om nog even te zeggen dat we het hier hebben over slechts één van de mogelijke typen elektronenmicroscopen”, zegt Koerten. “Voor afbeeldingen van de kleinst mogelijke details gebruiken we cryo-elektronenmicroscopen, waarbij het preparaat een temperatuur heeft van 170 graden onder nul. Bij die temperatuur wordt de energie snel afgevoerd, waardoor schade beperkt wordt. Een andere manier om schade te beperken is de elektronen zo hard mogelijk op het preparaat af te vuren. Dat lijkt misschien vreemd, omdat een sneller elektron ook meer energie bevat. Zo’n sneller elektron heeft echter minder kans om in het preparaat te blijven ‘hangen’ en er z’n energie aan af te geven. Het resultaat is minder schade.” Om de deeltjes meer snelheid mee te geven, moet de hoogspanning in de microscoop opgevoerd worden. Het nieuwe apparaat kan dat tot tweehonderd kilovolt, tachtig kilovolt meer dan zijn voorganger.

De maximaal haalbare resolutie van een elektronenmicroscoop was lange tijd rond de dertig Ängström, dat wil zeggen dat twee punten die op een afstand van drie miljoenste van een millimeter van elkaar liggen nog net van elkaar onderscheiden kunnen worden. Die grens is de laatste jaren echter snel gezakt. Koerten laat een grafiek zien, waarin sinds 1995 een scherpe daling zit. Inmiddels is een resolutie van ongeveer vijf Ängström mogelijk. Met hun nieuwe microscoop denken de heren zelfs tot drie Ängström te kunnen komen. Dat maakt het mogelijk de structuur van eiwitten te ontrafelen.

Met een truc kan het toch

De belangrijkste reden voor de snelle vooruitgang in de wereld van de cryo-elektronenmicroscopie is de introductie van veld-emissiebronnen, zegt Abrahams. Op de vraag hoe dat precies werkt, volgt eerst een stilte. Dan: “Het heeft te maken met de coherentie van de elektronenstraling, maar zullen we de details maar even in het midden laten? Waar het nu om gaat is wat we ermee kunnen doen.”

Zomaar een plaatje maken van een eiwit zal ook met de nieuwe microscoop niet snel mogelijk zijn, zegt Abrahams. Schade door inslaande elektronen blijft een probleem. “We willen met een zo laag mogelijke intensiteit werken, dus met zo min mogelijk schade. Normaliter wordt de foto dan veel te licht om details van eiwitten te zien. Met een truc kan dat echter toch.”

“Een zuiver eiwitpreparaat bevat miljoenen moleculen, die er allemaal precies hetzelfde uitzien. Dat feit kun je gebruiken om met een computer alle beelden van een preparaat te combineren tot één scherp, driedimensionaal plaatje van het eiwitmolecuul.” Hij laat een afbeelding zien waarop een virus staat afgebeeld. “Voor virussen werkt die aanpak nu al; ook zij hebben allemaal exact dezelfde structuur als hun buren. Combineer je alle informatie, dan kun je tot zulke scherpe plaatjes komen. Het lukt zelfs om de erfelijkheidsmoleculen erin te zien zitten, dus ik sluit niet uit dat we op deze manier ooit zullen kunnen zien hoe het DNA van een virus er uitziet in drie dimensies!”

Veel rekenkracht nodig

Om dergelijke beelden te construeren is uiteraard heel wat rekenkracht nodig. Koerten: “We zouden er ongeveer honderd van de huidige generatie PC’s voor nodig hebben, hebben we berekend. Die hebben we niet direct gekocht, omdat nieuwere computers steeds sneller worden. Dit is trouwens de eerste elektronenmicroscoop voor ons die helemaal is ingericht om met computers te communiceren, ook wat betreft de aansturing. Dat kan soms veel tijd schelen, omdat de computer allerlei instellingen onthoudt en automatisch kan aanpassen.”

De nieuwe microscoop is een gezamenlijke aanschaf van het LUMC en de W&N faculteit van Abrahams, die ieder ruim een half miljoen gulden neertelden. De rest van het geld kwam van een NWO-subsidie (negen ton) en de inruilwaarde van een oude elektronenmicroscoop. “Het feit dat de faculteit en het LUMC beide zo’n fors bedrag investeren, geeft wel aan hoe belangrijk ze het vinden om in deze discipline voorop te lopen”, aldus Koerten. “Bovendien geeft het aan dat er veel vertrouwen is in de samenwerking.” “Het is een belangrijke concrete stap in wat de vorming van het Bètacluster zou moeten zijn”, voegt Abrahams toe.

Golf en deeltje tegelijk: Het is moeilijk voor te stellen, maar theoretici kunnen er niet onderuit: licht gedraagt zich tegelijkertijd als een golf en als een stroom deeltjes. Zelfs een individueel lichtdeeltje (foton) heeft zo’n dubbele identiteit. Dat gaat overigens op voor alle soorten elektromagnetische straling. Daarbij geldt: hoe groter de golflengte, hoe kleiner de bijbehorende deeltjes. Zo heeft zichtbaar licht een golflengte van enige honderden nanometers (er gaan een miljoen nanometers in een millimeter) en zijn de deeltjes relatief klein. Dat laatste is handig bij het kijken door een microscoop, want kleine deeltjes laten het preparaat intact. De bijbehorende grote golflengte is echter een nadeel, want het is niet mogelijk twee punten te onderscheiden als die op een afstand van elkaar liggen die kleiner is dan de golflengte van de straling die je gebruikt. Met een lichtmicroscoop zal het dus nooit lukken een virus te zien: de ziekteverwekkers zijn daarvoor simpelweg te klein. Elektronen zijn veel groter dan fotonen en hun golflengte is dus veel kleiner. Virussen en zelfs losse eiwitmoleculen zien is er in principe mee mogelijk. Waarmee niet gezegd is dat het een fluitje van een cent is.

Dit artikel is een publicatie van Cicero (LUMC).
© Cicero (LUMC), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 april 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.