Metaaleiwitten zijn eiwitten waaraan metaal-ionen gebonden zijn. Het metaal maakt dat het eiwit in een levende cel een hele reeks van functies kan uitvoeren, die voor eiwitten zonder metaal meestal te hoog gegrepen zijn. Haemoglobine in het bloed is een bekend voorbeeld van een metaaleiwit, maar ook het fotosynthetische systeem zit vol met metalen. Ook bij het proces dat energie uit suikers haalt zijn veel metaaleiwitten betrokken.

Helderblauw

Metaaleiwitten zijn niet alleen van levensbelang in een organisme, maar maken ook het leven van een wetenschapper gemakkelijker. Met gebruik van metaaleiwitten kun je namelijk een hele reeks spectroscopische technieken toepassen die met gewone eiwitten niet mogelijk zijn, zoals speciale variaties op NMR. Een voordeel is alleen al dat metaaleiwitten een mooie kleur hebben, waardoor ze goed te onderscheiden zijn. ‘Wij zien de mooiste kleuren’, zegt Tepper. ‘Vooral koper en ijzer zijn heel mooi. Haemoglobine is diep rood. En bepaalde kopereiwitten hebben een prachtige helderblauwe kleur.’

Bionanotechnologie

Met die spectroscopische technieken kunnen onderzoekers meer te weten komen over de functie van het metaal in het eiwit. Heel precies op atomair niveau kunnen ze tegenwoordig de mechanismen van eiwitten ontrafelen. Tepper: ‘Eiwitten zijn grote en zeer complexe moleculen. Maar we zijn nu zover dat we een beetje begrijpen hoe het werkt, en dat we die kennis ook kunnen toepassen. Dan zit je op het terrein van de bionanotechnologie.’

Elektronenverkeer

Een van de eigenschappen van metaaleiwitten is dat ze elektronenverkeer mogelijk maken als ze reageren met andere stoffen: ze nemen elektronen op of staan ze af. Dat gebeurt tijdens de zogenoemde redox-processen. ‘Redox’ is een samentrekking van reductie en oxidatie. Het molecuul dat een elektron afstaat heet geoxideerd, en het molecuul dat er een elektron bij krijgt heet gereduceerd.

Biosensor

Tepper zelf gaat kopereiwitten inzetten als hulpmiddel om een radicaal nieuwe procedure te testen voor het maken van een biosensor. Daarbij maakt hij gebruik van die redox-processen. Een biosensor is een sensor waarin biologische elementen zijn geïntegreerd. Biosensoren zijn handig, want biologische moleculen zijn heel specifiek. Tepper: ‘Neem de bekendste, de glucosesensor, waarmee glucose gemeten kan worden in het bloed. Die is gebaseerd op een gespecialiseerd eiwit dat in het lichaam glucose metaboliseert. Zo’n eiwit heeft dus als enige target dat glucosemolecuul. Een biosensor op basis van dat eiwit is daarom een heel gerichte detector, die allerlei ballast buiten beschouwing laat.’

Elektrisch stroompje

Er is op het ogenblik veel belangstelling voor metaaleiwitten als component van een biosensor, juist vanwege die elektronen overdracht bij chemische reacties. Die maakt namelijk heel eenvoudige detectiemethoden mogelijk, zegt Tepper. ‘Elektronenoverdracht betekent: een elektrisch stroompje. En een elektrisch stroompje kun je vrij gemakkelijk meten.’ Om een biosensor te maken immobiliseert Tepper een kopereiwit op een vaste drager. Naar dat eiwit stuurt hij elektronen toe met behulp van een elektrode. Met die elektroneninjectie lokt hij een chemische reactie uit van het eiwit met het molecuul dat hij wil detecteren. In zijn geval is dat nitriet.

Nitriet

Nitriet, bekend van voedselindustrie en afvalwater, is een klein maar belangrijk molecuul in levende cellen. Het bestaat uit één stikstofatoom en twee zuurstofatomen. Nitriet wordt spontaan gevormd bij de afbraak van NO, stikstofmonoxide. De nitrietconcentratie is dus een maat voor de hoeveelheid afgebroken NO. En NO is het molecuul waar het Tepper eigenlijk om te doen is.

Mystery Molecule

Werd stikstofmonoxide (NO) vroeger uitsluitend gezien als een giftig uitlaatgas, sinds de tweede helft van de jaren ‘80 is bekend dat dit gas een signaalfunctie heeft bij heel veel cruciale fysiologische processen. Het reguleert bijvoorbeeld de bloeddruk, en speelt daarom een belangrijke rol in het onderzoek naar hart- en vaatziekten. Ook geniet stikstofmonoxide nu bekendheid als neurotransmitter en als stimulator van het immuunsysteem. Al deze ontdekkingen hebben geleid tot een ware NO-hype in het onderzoek, culminerend in een Nobelprijs in 1998. Het probleem met deze ’mystery molecule’ is dat hij binnen tien seconden wordt afgebroken in het bloed. Maar daarbij komt dus het nitriet vrij dat Tepper graag wil meten. Het gespecialiseerde kopereiwit dat hij in zijn biosensor gebruikt is nitriet reductase, dat in de natuur betrokken is bij de omzetting van nitriet.

Isolator

Voor zijn onderzoek kreeg Tepper een Veni-subsidie die de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek jaarlijks toekent aan veelbelovende onderzoeksprojecten. Tepper gebruikt het geld om een lastig probleem op te lossen: het metaalcentrum zit namelijk heel diep in het eiwit opgeborgen. In de natuur heeft dat een functie: de eiwitlaag wordt benut ten behoeve van de specificiteit, bijvoorbeeld voor de herkenning van een ander eiwit. Of om alleen dát molecuul aan het metaal te laten binden dat moet worden omgezet. Elektronoverdracht is zo alleen mogelijk door interactie met specifieke partnermoleculen, terwijl onbedoelde processen worden voorkomen. Maar voor een wetenschapper is het daardoor heel moeilijk om een stroom elektronen te laten lopen van de elektrode naar het metaal in het eiwit; het eiwit werkt als een isolator. Dit principiële probleem, zegt Tepper, heeft een vertragende werking gehad op de ontwikkeling van biosensoren die gebaseerd zijn op redox-eiwitten. Wat hij dus gaat doen is een radicaal nieuwe methode testen om dat probleem aan te pakken.

Patent

Hoe hij die eiwit-weerstand denkt te gaan overwinnen kan hij op dit moment nog niet zeggen, hoewel hij er alle vertrouwen in heeft dat het gaat lukken. Beter gezegd: juist omdat hij daar alle vertrouwen in heeft. Tepper denkt namelijk dat het idee interessant zou kunnen zijn voor een patent. En informatie voor een patent geef je niet prijs.

Interdisciplinair

Na een onderzoeksperiode in Napels is Tepper terug in de metaaleiwittengroep van Gerard Canters, bij wie hij in maart promoveerde op een ander kopereiwit. In die groep voelt hij zich thuis. Er zijn in Nederland niet zoveel groepen die gespecialiseerd zijn in metaaleiwitten. Het is daarbij een heel goede groep, vindt hij. Juist op het gebied van die kopereiwitten. Met zijn onderzoek komt Tepper steeds meer in interdisciplinair vaarwater terecht, wat hij als pure winst beschouwt. Vooral de bionanotechnologie ziet hij als zijn tweede vaderland. ‘Al heel lang voel ik de behoefte om meer toegepast onderzoek te doen. Ik denk heel erg technisch, en ik houd van het oplossen van technologische problemen.’

3D

Ook in zijn vrije tijd is Armand Tepper met scheikunde bezig, maar dan op een artistieke manier. Hij heeft altijd veel geschilderd, en raakte gaandeweg geïnteresseerd in het maken van driedimensionale beelden op de computer: fotorealistische afbeeldingen van moleculen. ‘Je kunt wetenschap zo artistiek maken als je wilt’, vindt hij. Het was gewoon een hobby, maar van het een kwam het ander, en steeds vaker weten belangstellenden hem te vinden. Hij werkt nu samen met zijn vriendin die grafisch vormgever is.