Je leest:

Eersteklas eiwitkristallen dankzij gewichtloosheid in Nijmeegs magnetenlab

Eersteklas eiwitkristallen dankzij gewichtloosheid in Nijmeegs magnetenlab

Chemici en natuurkundigen van het Instituut voor Moleculen en Materialen van de Radboud Universiteit zijn er als eersten ter wereld in geslaagd eiwitkristallen te laten groeien onder ideale, gewichtloze omstandigheden. Dit was altijd alleen in de ruimte mogelijk, maar de Nijmeegse onderzoekers kunnen nu gewichtloze kristallen creëren met extreem hoge magneetvelden. Ze publiceerden er eind juni voor het eerst over in het natuurkundige tijdschrift Applied Physics Letters. Ook Nature besteedde deze maand aandacht aan de opvallende Nijmeegse resultaten.

Eiwitkristallen leveren onmisbare kennis voor medicijnontwikkeling. Voor een goed werkend medicijn is het nodig te weten hoe biomoleculen zoals lichaamseiwitten zijn opgebouwd. De structuur en eigenschappen van dergelijke complexe moleculen laten zich alleen doorgronden in kristalvorm. Bij de vorming van kristallen gaan moleculen namelijk keurig in het gelid staan. Met het laten groeien van eiwitkristallen hopen biochemici de sleutel te vinden voor medicijnen tegen bijvoorbeeld allerlei infectieziekten.

Röntgendiffractie is zeer geschikt voor het ophelderen van de ruimtelijke structuur van een eiwit. Daarvoor is een kristal nodig, zoals links gefotografeerd met behulp van een lichtmicroscoop. Als röntgenstralen zo’n kristal passeren worden ze afgebogen aan de atomen waaruit het eiwit is opgebouwd. Het resultaat is het rechts weergegeven stippenpatroon, dat informatie bevat over de ruimtelijke verdeling van de atomen. Beeld: Martin P. Horvath, University of Utah

Aardse slordigheid

Hoe gelijkmatiger een eiwitkristal groeit, hoe beter de structuur met behulp van röntgendiffractie in beeld kan worden gebracht. Probleem is dat kristallen doorgaans niet zo netjes groeien. Dat heeft te maken met aardse slordigheid ofwel zwaartekracht.

Chemici laten een kristal groeien in een met eiwitmoleculen oververzadigde oplossing, legt Elias Vlieg, hoogleraar Vaste Stof Chemie uit. Doordat moleculen zich aan het oppervlak van het kristal hechten, heeft de vloeistof direct om het kristal een lagere dichtheid. Deze lichtere vloeistof stroomt onder invloed van de zwaartekracht naar boven. De zo ontstane stromen verstoren een gelijkmatige groei. “Rustige groei levert nu eenmaal de mooiste kristallen op”, vertelt Vlieg.

Om zulke mooie kristallen te maken zou dus eigenlijk de zwaartekracht uitgeschakeld moeten worden. De enige plek waar dat goed kan, is in de ruimte. Dat gebeurt ook. Ruimtevaartorganisaties als ESA en NASA investeren tijd en geld in groei van eiwitkristallen in de ruimte. Tot nu toe vallen de resultaten tegen. Niet alleen zijn experimenten in de ruimte nogal kostbaar, chemici kunnen er niet met hun neus bovenop staan en slechts op afstand ingrijpen.

Ruimtesimulatie

Het Nijmeegse experiment met hoge magneetvelden biedt mogelijk een aantrekkelijk alternatief voor de ruimte-experimenten. In het High Field Magnet Laboratory (HFML) van de Radboud Universiteit kunnen zulke hoge magneetvelden opgewekt worden dat de diamagnetische kracht de zwaartekracht opheft.

Met deze foto baarde het Nijmeegse laboratorium in 1997 veel opzien. De kikker zweeft dankzij diamagnetisme. Een extern magneetveld wekt in alle materialen een zeer zwak tegengesteld magneetveld op. In de extreem sterke magneetvelden in het Nijmeegse laboratorium resulteert de wisselwerking tussen het aangelegde en het opgewekte magneetveld in een kracht die voldoende is om de kikker te laten zweven. Ook eiwitkristallen worden nu op vergelijkbare wijze ‘gewichtloos’ gemaakt. Beeld: Radboud Universiteit

Het principe van magnetische levitatie biedt onderzoekers de mogelijkheid om in een hoog magnetisch veld ruimtelijke condities na te bootsen. Dat is precies wat Vliegs groep samen met wetenschappers van het HFML gedaan heeft. Ze lieten een eiwitkristal groeien in een magneetveld van 27 Tesla en boekten daarmee een wereldprimeur. “We hebben als eerste ter wereld aangetoond dat je in een hoog magnetisch veld een kristal gelijkmatig kunt laten groeien.”

Micro-gravitatie

De onderzoekers hebben geëxperimenteerd met verschillende gravitatiesterktes. Zo konden ze de stroming in de vloeistof beïnvloeden. Bij normale zwaartekracht stroomt de vloeistof omhoog en bij nul gravitatie verkeert het kristal in stilstaande vloeistof, precies zoals verwacht. Bij negatieve gravitatie beweegt de vloeistof precies omgekeerd, dus niet omhoog, maar omlaag.

“We kunnen nu uitzoeken onder welke gravitatie condities de beste kristallen groeien”, vertelt Vlieg. En dat heeft het HFML voor op de ruimte: “In het HFML hebben we wel een knop om de gravitatie te regelen, in de ruimte niet.” Van grootschalige toepassing van de Nijmeegse methode kan voorlopig nog geen sprake zijn, vertelt Vlieg. “We zitten echt op het randje van wat de magneet aan kan. Die 27 Tesla vergt 14 Megawatt. Dat kunnen we maximaal zes uur achter elkaar doen. De groei van een mooi eiwitkristal kost dagen.”

Dit artikel is een publicatie van Radboud Universiteit Nijmegen.
© Radboud Universiteit Nijmegen, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 juli 2007

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.