Je leest:

Eiwitten vormen een stabiele voetbal

Eiwitten vormen een stabiele voetbal

Zelfassemblage tot een regelmatig twintigvlak is nieuwe stap in controle op nanoschaal

Auteur: | 5 juli 2016

Een regelmatig twintigvlak kennen we vooral als geometrische figuur. Nu blijkt dat je zo’n ‘voetbal’ ook met eiwitten kunt maken. Het resultaat is een groot complex dat lijkt op de eiwitmantel van een virus en waarin je wellicht een geneesmiddel kunt verpakken.

Eiwitten kunnen soms in hun eentje opereren, en soms moeten ze hun krachten bundelen. In de natuur zijn talloze voorbeelden van eiwitten die samen grotere complexen vormen. Bijvoorbeeld in een duo (dimeer) of een trio (trimeer). Deze complexen vormen zich door zelfassemblage; individuele eiwitmoleculen ‘plakken’ op een specifieke manier aan elkaar, waardoor ze een functie kunnen uitvoeren die ze alleen niet kunnen. Het cruciale kenmerk van deze bindingen is dat ze ook weer eenvoudig uiteen kunnen vallen in de individuele eiwitten.

3D-structuur van het eiwit beta-galactosidase. Het eiwit bestaat uit vier identieke subeenheden (in verschillende kleuren aangegeven) die samen de benodigde structuur vormen.

Onderzoekers onder leiding van David Baker van de Universiteit van Washington in Seattle (VS) hebben dit vermogen tot zelfassemblage ingezet om een uitzonderlijk groot complex te maken. Niet twee of drie eiwitten aan elkaar, maar zestig stuks, zo laten ze in het tijdschrift Nature zien. En die zestig zitten niet zomaar aan elkaar geklonterd, integendeel. Ze vormen samen een icosaëder: een regelmatig twintigvlak. Ieder vlak is een vijfhoek en daarvan zitten er dan twintig aan elkaar. Het uiteindelijke resultaat is een bolvormig complex dat sterk lijkt op een voetbal, maar dan in een kooivormige structuur. De vlakken zijn open en binnenin bevindt zich een flinke holte; flink in moleculaire termen dan.

De icosaëder zoals die door David Baker en zijn team is gebouwd uit zestig eiwitten. Het geheel bestaat uit twintig vijfhoeken. De ‘voetbal’ is hol en groot genoeg om interessante stoffen in te verpakken. De open vijfhoeken kunnen worden verkleind door er andere eiwitcomplexen in te binden. Dat geeft controle over welke moleculen naar binnen of buiten kunnen bewegen.

“Dit is een variant op DNA origami, maar dan met eiwitten. Dat is veel moeilijker, omdat eiwitten veel complexer zijn dan DNA. Ze hebben veel meer bindingsplaatsen en kunnen veel meer reacties aangaan. Je blijft daarom al snel met een onwerkbaar aggregaat zitten, zonder structuur”, aldus Jan van Hest, hoogleraar Organische Chemie aan de Radboud Universiteit en niet bij het onderzoek betrokken. “Dit is heel knap gedaan. De groep van David Baker werkt al langer aan dit onderwerp en zijn zeker pioniers op dit gebied. Ze laten nu zien dat je ook met eiwitten grote structuren kunt maken. Dat je zestig eiwitmoleculen gecontroleerd laat assembleren tot een zeer stabiele structuur, dat is echt een bijzondere prestatie.”

‘Gecontroleerd’ is hier het toverwoord. Zomaar wat eiwitten aan elkaar laten plakken is niet zo moeilijk, maar zorgen dat ze het op het juiste moment doen, bij elkaar blijven zolang jij wilt en ook nog eens op commando weer uit elkaar gaan, dat is de kunst. Want dan kun je gaan denken over een toepassing, bijvoorbeeld als transportmiddel om in het lichaam geneesmiddelen op de juiste plek af te leveren. De icosaëder van Baker voldoet aan al die voorwaarden. Het complex is extreem stabiel, maar kan door toevoeging van een specifiek oplosmiddel heel abrupt uiteenvallen, waardoor een eventuele lading vrijkomt.

Het cowpea chlorotic mottle virus (CCMV), dat planten kan infecteren. Het virus is ongeveer dertig nanometer in doorsnede, iets groter dan de icosaëder van David Baker. Die heeft een doorsnede van 25 nanometer.

Virusmantel

Een andere mogelijkheid waar de onderzoekers op wijzen ligt in de ontwikkeling van vaccins. “Ze hebben eigenlijk een soort synthetische virusmantel gemaakt”, zegt Van Hest. Die link is dus niet zo gek gedacht. Zeker niet omdat het team laat zien dat je aan de icosaëder allerlei extra moleculen kunt ‘hangen’. Die zou je kunnen gebruiken om een gerichte immuunrespons op te roepen. Toch zijn er nog heel wat haken en ogen te overwinnen voordat we een dergelijk complex in mensen kunnen gebruiken.

De oplosmiddelen die de onderzoekers hebben gebruikt zijn bijvoorbeeld totaal niet geschikt voor toepassing in levende organismen. Van Hest: “Dat is een bekend probleem bij dit type structuren. Ze assembleren en zijn stabiel onder niet-fysiologische condities.” Voor hem ligt de waarde van het werk van Baker en collega’s meer in de inspiratie die het biedt om na te denken over welke structuren nog meer mogelijk zijn. “Andere vormen, denk aan grote kubussen of lange buizen. Dit werk laat zien dat je controle kunt uitoefenen op supramoleculaire complexen van deze omvang. De informatiedichtheid van dit type structuren is heel hoog. Bovendien laten ze zien dat je zelfassemblage in alle ruimtelijke richtingen kunt controleren en dat was tot nu toe een groot probleem.”

De klassieke regelmatige veelvlakken.

Volgens Van Hest is dit onderzoek juist ook relevant voor niet-medische toepassingen. “Dit kun je gebruiken in een veel breder veld waarin goed gedefinieerde structuren op nanoschaal een rol spelen. Bijvoorbeeld zonnecellen of allerlei dynamische, responsieve materialen.” Volgens hem spreekt het werk van Baker veel wetenschappers aan. “Hoe en op welk niveau kunnen wij onze materialen controleren? Daar zit voor mij de inspiratie van dit onderzoek. Dit geeft zeker stof tot nadenken.”

Bron:

  • Yang Hsia, et al., Design of a hyperstable 60-subunit protein icosahedron, Nature (2016), doi:10.1038/nature18010
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 05 juli 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.