Je leest:

Eiwitrijke wiskunde

Eiwitrijke wiskunde

Navraj Pannu, wiskundige in de Leidse onderzoeksgroep biofysische structuurchemie, kreeg met de paplepel ingegoten dat wiskunde nuttig is; zijn vader, evenals zijn moeder uit India naar Canada geëmigreerd, was wiskundeleraar. Maar pas na zijn eigen wiskundestudie ontdekte Pannu hóe belangrijk dit vak kan zijn, vooral op het booming terrein van de genomics.

Overal ter wereld zijn onderzoeksgroepen bezig de enorme databases te exploiteren die het Human Genome Project heeft gegenereerd. Nu de volgorde van het genoom bekend is, is het zaak de functies van zoveel mogelijk afzonderlijke genen van dat genoom te achterhalen. Daartoe is het belangrijk de driedimensionale structuur van de door de genen gespecificeerde eiwitmoleculen op te lossen. Die structuur, bijvoorbeeld de unieke manier waarop ieder eiwit is gevouwen, bepaalt namelijk voor een belangrijk deel de functie van het eiwit in het organisme. Kennis van de structuur geeft inzicht in ziektes, én aanwijzingen voor het maken van geneesmiddelen daartegen.

Navraj Pannu, wiskundige in de Leidse onderzoeksgroep biofysische structuurchemie.

Kristallografie

Een van belangrijkste manieren om de structuur van moleculen, vooral van grote moleculen, te doorgronden, is röntgendiffractie, ook wel kristallografie genoemd. Daarmee zijn bijvoorbeeld de aids-medicijnen ontdekt. Nederland is goed in kristallografie, meent Pannu. De onderzoeksgroep waarin hij werkt staat onder leiding van Jan Pieter Abrahams, en is een van ’s werelds meest vooraanstaande groepen op het terrein. Abrahams maakte hem enthousiast om naar Leiden te komen toen ze beiden in Cambridge verbleven, waar Pannu aan het promoveren was. Navraj Pannu kreeg dit jaar een Vidi-beurs om te werken aan wiskundige methoden voor het oplossen van eiwitstructuren.

Driedimensionaal

Hoe werkt röntgendiffractie? Pannu: ‘Uit een levend organisme haal je een eiwit waarvan je de structuur wilt bepalen. Daar laat je vervolgens een kristal van groeien, zodat je een zichzelf herhalend driedimensionaal patroon krijgt. Dat bombardeer je met röntgenstralen. Uit de manier waarop de röntgenstralen door het kristal verstrooid worden kun je de distributie van elektronen in een molecuul afleiden.’

Geld

Daarvoor zijn, naast een detector, uiteraard nieuwe wiskundige technieken nodig. En van die wiskunde maken wetenschappers zich nog te gemakkelijk af, vindt Pannu. ‘Er wordt enorm veel geld gepompt in de röntgenanalyse, en er zijn veel mensen ter wereld mee bezig. Maar er zijn maar heel weinig onderzoeksgroepen, in heel Europa minder dan tien, die werken aan de verbetering van de wiskundige methoden. Toevallig zitten een paar van die groepen in Nederland.’

Efficiënt

Het probleem is, aldus Pannu, dat de meeste onderzoekers veel te weinig variabelen meenemen in hun berekeningen. ‘Als ze eenmaal een model voor een eiwitstructuur hebben afgeleid, vergeten ze alle andere data. En dat is niet handig. Want hoe meer data je in je berekeningen meeneemt, hoe efficiënter je het aantal mogelijke oplossingen voor de uiteindelijke eiwitstructuur inperkt. Je komt dus sneller tot resultaten, die bovendien verfijnder en accurater zijn. En soms los je structuren op die met minder verfijnde methodes helemaal niet opgelost zouden kunnen worden’

Stralingsschade

‘We weten allemaal dat röntgenstraling schade aanricht’, zegt Pannu, ‘en dat is ook heel belangrijk. Je onderzoekt een kristal dus niet alleen, maar je verandert het tegelijkertijd, door het bloot te stellen aan röntgenstralen. Die veranderingen, die onderzoekers meestal buiten beschouwing laten, breng ik juist in kaart. En als ik ze eenmaal in een model heb gevat, kan ik ze ook weer handig gebruiken als hulpmiddel om de structuur van het eiwit af te leiden.’

Nederlandse studenten

Moeten er meer wiskundigen worden opgeleid? Pannu: ‘Misschien hoeven er niet meer wiskundigen te komen, maar er moet wel veel meer wiskunde in het curriculum van de natuurwetenschappen. Als je een goede achtergrond in de wiskunde hebt, kijk je anders tegen problemen aan. En je brengt de röntgenkristallografie ermee op een veel hoger niveau.’ Pannu zegt overigens onder de indruk te zijn van het wiskundige niveau van de Nederlandse studenten, dat hij hoger vindt dan in Canada, waar hij ook college heeft gegeven.

Computers

Pannu: ‘Voor mijn werk moet je natuurlijk van wiskunde houden, maar ook van computers, want je moet je algorithmen omzetten in gebruikersvriendelijke computerprogramma’s, zodat kristallografen er routinematig mee kunnen werken. Eén van mijn drie medewerkers is dan ook een informaticus. We hebben het afgelopen jaar een programmasysteem vrijgegeven, dat in de testfase is. Dat is inmiddels al door 200 onderzoeksgroepen gedownload.’

Grenoble

In principe kan het hele proces, van het maken van de kristallen tot het oplossen van de structuren, in het Leidse lab plaatsvinden. Daar staat een generator van röntgenstralen, met een detector die de door het kristal afgebogen stralen registreert. Maar meestal wordt voor dat laatste onderdeel uitgeweken naar Grenoble. Pannu: ‘Daar staat een synchrotron, een enorme stralingsbron met zeer intense röntgenstralen, waarmee het binnenhalen van de informatie binnen een uur is gepiept. Bij ons duurt dat al snel een dag of vijf.’

3D-printer

Daar staat tegenover dat het lab sinds een maand de trotse bezitter is van een gloednieuwe 3D-printer, de eerste in Nederland. Hij doet denken aan de zo populaire broodbakmachine: Je stopt alle materialen en kleurstoffen erin, plus natuurlijk je computerberekeningen, en ziedaar: je molecuul rolt eruit: driedimensionaal en in kleur.

Dit artikel is een publicatie van Universiteit Leiden.
© Universiteit Leiden, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 december 2005

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.