Eiwitten vormen een stabiele voetbal

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.

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.

“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.

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.”