Je leest:

Dwars door de membraan

Dwars door de membraan

Groningse onderzoekers beschrijven als eersten hoe bacteriën voedingstoffen opnemen

Auteur: | 31 maart 2016

Ook cellen moeten eten. Maar hoe krijgen ze voedingsstoffen door de celmembraan heen naar binnen? Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben het als eersten tot in detail uitgezocht. En de leerboeken blijken niet te kloppen. In het tijdschrift Nature Communications beschrijven ze het mechanisme waarmee bacteriën bepaalde vitamines opnemen.

Mensen eten op terras
Hoe wij ons eten binnen moeten krijgen weten we wel. Maar hoe doen bacteriën dat?

“Dit is het resultaat van acht jaar werk. Het is echt spectaculair”, zegt Dirk Slotboom, hoogleraar biochemie aan de Rijksuniversiteit Groningen en leider van het onderzoeksteam. Hij kan nu precies laten zien hoe het bacteriële Energy Coupling Factor (ECF) transportsysteem werkt. Daarmee is een debat dat al decennia woedt beslecht. Bovendien levert het nuttige informatie voor de zoektocht naar nieuwe antibiotica.

Het ECF-transportsysteem kan een heleboel verschillende stoffen door de celmembraan vervoeren. In het systeem spelen twee componenten de hoofdrol. De min of meer universele ECF-component werkt samen met een S-component die heel specifiek een bepaalde stof (het substraat) bindt. De energie die nodig is om dit systeem te laten werken komt van het molecuul ATP, de universele energiedrager van levende cellen. “De S-component bindt het substraat en verplaatst zich vervolgens door de membraan”, legt Slotboom uit.

Acrobat magisphoto
De S-component blijkt ook in staat tot acrobatische toeren in de membraan.

Acrobatische toeren

Een van de meest opvallende observaties is de manier waarop de S-component in de membraan zit. “Leerboeken tonen een standaardplaatje van membraaneiwitten”, vertelt Slotboom.

Deze eiwitten bestaan uit waterafstotende helices die door de membraan steken en waterminnende delen die buiten de membraan als een soort lussen de helices met elkaar verbinden. Iedereen dacht dat eiwitten altijd op die manier vastzaten in de membraan. Totdat Slotboom en zijn team ernaar keken. “Wij zagen dat de S-component ook horizontaal in de membraan kan liggen.”

De groep van Slotboom ontdekte dat de S-component draait en wiebelt in de membraan. “Dit soort membraaneiwitten blijkt tegen de verwachting in spectaculaire acrobatische toeren uit te kunnen halen.” Die bewegingen vinden bovendien plaats zonder dat er extra energie voor nodig is. “Het is een pure Brownse beweging”, zegt Slotboom. De Brownse beweging is de willekeurige en ongerichte beweging die wordt veroorzaakt door de spontane botsing van moleculen.

Cytochrome c oxidase 1occ in membrane 2
Tot nu toe werd gedacht dat alle membraaneiwitten op dezelfde manier in een membraan zitten. Zoals hier het eiwit Cytochroom C oxidase. De helices in de structuur zijn allemaal verticaal geordend en aan beide zijden van de membraan steken flexibele lussen uit die de helices met elkaar verbinden. Maar het kan dus ook anders, zo laat het onderzoek van Slotboom en collega’s zien.

Maar hoe kan zo’n ongerichte beweging heel gericht voedingsstoffen naar binnen transporteren? Daarin speelt de ECF-component een cruciale rol. “Dit eiwitcomplex bevindt zich aan de binnenkant van de membraan. Wanneer een S-component met substraat in contact komt met de ECF-component ontstaat er een onomkeerbare binding.” Die bindingsstap zorgt er verder voor dat de S-component het substraat loslaat. Maar het kost energie om de S-component weer los te krijgen van het ECF-deel. Daar gebruikt het systeem ATP voor.

Zuiger of ratel?

“Het interessante hieraan is dat de energie van het ATP niet nodig is voor het transport, maar om S en ECF van elkaar te scheiden. Het proces verloopt eerst via willekeurige Brownse bewegingen en de ECF-component dient als een ratel die zorgt dat de gebonden voedingsstof aan de binnenkant van de cel wordt afgegeven.” Hiermee sluit Slotboom een debat af dat wetenschappers al tientallen jaren bezighoudt: is de verplaatsing van een eiwit met substraat door de membraan het gevolg van een energie vragende slag, zoals bij een zuiger in een automotor, of komt het door een zogeheten Brownse ratel. “Wij laten zien dat het in dit geval inderdaad een ratel is, wat een nieuw fundamenteel inzicht oplevert over de werking van moleculaire motoren in de cel.”

Atp chemical structure
Chemische structuur van adenosinetrifosfaat, beter bekend als ATP. Door de meest linker fosfaatgroep (de P met drie O’s) van het molecuul te ‘breken’ komt energie vrij die de cel voor allerlei verschillende processen nodig heeft. ATP verandert dan in ADP (adenosinedifosfaat). Met de energie de cel verwerft door de verbranding van voedsel kan ADP weer worden omgezet in ATP, waardoor de energie elders ingezet kan worden. ATP is de universele energiedrager in levende cellen.

Het onderzoeksteam heeft de hele transportcyclus bij elkaar gepuzzeld door de driedimensionale structuur van de verschillende componenten tijdens verschillende fasen van het transport op te helderen. “Helaas waren concurrenten ons daarbij drie keer net voor: de structuur van de S-component, het ECF-deel en de gebonden combinatie van S en ECF zijn door andere groepen als eerste gepubliceerd”, zegt Slotboom. “Maar die drie studies zijn gedaan met verschillende substraten en geen van de groepen heeft het hele transportproces beschreven. Wij hebben steeds gekeken naar de structuur van hetzelfde folaat-specifieke transportsysteem, zodat we nu precies weten hoe dat werkt.”

Actine netwerk
Zo nauwkeurig kun je kijken met een elektronenmicroscoop. Hier een opname van een netwerk van actine-ketens; het eiwit dat de cel stevigheid geeft. De individuele ketens zijn goed zichtbaar, terwijl de opname slechts 250 micrometer breed is.
Vrije Universiteit/Roos Lab

Blokkeren

Het is niet eenvoudig om de structuur van eiwitten in een membraan te bepalen, maar gelukkig komen steeds weer nieuwe methoden naar voren. “De afgelopen jaren is een nieuwe techniek opgekomen, waarbij je de structuur direct waarneemt met een zeer gevoelige elektronenmicroscoop. Dat heeft het vakgebied een enorme impuls gegeven.” Slotboom is nu bezig om via single molecule microscopie, waarbij moleculen zijn gemarkeerd met een lichtgevend label, de dynamiek van het transportsysteem in beeld te brengen. “En we zijn bezig om met computersimulaties de structuur van het systeem te bestuderen. Dat gebeurt samen met mijn collega Siewert-Jan Marrink.”

Ook is Slotboom op zoek naar manieren om het transport te blokkeren. Het ECF-systeem is alleen aanwezig in bacteriën, dus niet in zoogdiercellen. Het is daarmee een ideale kandidaat voor de ontwikkeling van antibiotica. “Samen met chemicus Anna Hirsch hier aan de RUG zoeken we naar kleine moleculen die de verplaatsing door de membraan verhinderen, bijvoorbeeld door te voorkomen dat de S-component zich bindt aan het ECF-deel.” Want nu ze het mechanisme goed begrijpen, weten Slotboom en zijn collega’s ook hoe ze het kunnen blokkeren.

Bron:

  • Lotteke J.Y.M. Swier, Albert Guskov & Dirk J. Slotboom, Structural insight in the toppling mechanism of an energy-coupling factor transporter Nature Communications (2016), doi:10.1038/ncomms11072
Dit artikel is een publicatie van Science Linx.
© Science Linx, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 31 maart 2016

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.