De laureaten ontvangen ieder een gelijk deel van de prijs, die tien miljoen Zweedse kronen bedraagt (ongeveer een miljoen euro). Van links naar rechts zie je Venkatraman Ramakrishnan (1952), werkzaam bij het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge (Engeland); Thomas A. Steitz (1940) van Yale University in New Haven (Verenigde Staten); Ada E. Yonath (1939), verbonden aan het Weizmann Institute of Science in Rehovot (Israel)
Inzoomen op het ribosoom
#/media/File:Biological_cell.svg){kind=link}
Het ribosoom is een van de meest complexe machinerieën in de cel. Het is de fabriek die, met DNA als bouwtekening en met aminozuren als bouwstenen, de eiwitten produceert die leven mogelijk maken. Neem bijvoorbeeld het bloedeiwit hemoglobine, dat het transport van zuurstof voor zijn rekening neemt. Of insuline, verantwoordelijk voor het suikergehalte. Antilichamen die ons beschermen door virussen onschadelijk te maken, keratine waaruit onze nagels en haren zijn opgebouwd: allemaal eiwitten. Ons lichaam bevat tienduizenden verschillende eiwitten die met grote precisie bepalen wat er op moleculair niveau allemaal gebeurt.
Het idee dat de mensheid met het in kaart brengen van het menselijk genoom de sleutel tot het beheersen van leven in handen heeft, is daarom op z’n zachtst gezegd nogal optimistisch. Het gaat om DNA, maar het gaat vooral om al die eiwitten. Het is belangrijk dat we het genoom kennen, maar het is nog veel belangrijker dat we het proteoom kennen – de gigantische eiwitverzameling van een organisme .
En natuurlijk is het van cruciaal belang te begrijpen hoe de DNA-informatie precies wordt gebruikt bij de productie van al die eiwitten. Daarvoor moeten we inzoomen op het ribosoom. De drie Nobelprijswinnaars van dit jaar hebben dat gedaan: ze wisten ribosomen driedimensionaal in beeld te brengen tot op atomair niveau. Een prestatie van formaat, want het ribosoom is een uiterst complex moleculair systeem opgebouwd uit honderdduizenden atomen.
Darwin op de vierkante nanometer
De toekenning van de Nobelprijs voor scheikunde 2009 staat niet op zichzelf, zo benadrukt het Nobelcomité in de begeleidende toelichting. We leven in het jaar van Darwin, die 200 jaar geleden werd geboren en 150 jaar geleden zijn baanbrekende werk publiceerde. In feite eren de Zweden met de Nobelprijs nu voor de derde keer onderzoekers die hebben laten zien hoe Darwins evolutietheorie werkt op het niveau van moleculen en atomen. De eerste keer ging het om de dubbele helix structuur van het DNA (Watson, Crick en Wilkins, 1962), de tweede keer om het mechanisme waarmee RNA de informatie van het DNA overbrengt (Roger Kornberg, 2006). En dan nu voor de ‘fabriek’ die de informatie van het RNA leest en toepast bij de ‘productie’ van eiwitten. Zo wordt uiteindelijk duidelijk hoe de relatief eenvoudige genetische code tot expressie wordt gebracht in eiwitten die op hun beurt onze spieren, botten en huid vormen, die er voor zorgen dat we proeven, voelen en horen en die uiteindelijk ook ons spraakvermogen en onze gedachten bepalen.
Pionier
De Israëlische onderzoekster Ada Yonath geldt als de pionier van het structuuronderzoek aan het ribosoom. Al aan het eind van de jaren zeventig van de vorige eeuw probeerde zij de eiwitfabriekjes met röntgenkristallografie in beeld te brengen. Volgens de heersende wetenschappelijke opvatting was dat onmogelijk, maar ze ging toch aan de slag.
Röntgenkristallografie heeft wel wat van het maken van een röntgenfoto in het ziekenhuis. Je stuurt röntgenstralen door een object en wat er niet wordt tegengehouden vangt je op met een gevoelige plaat. Zo kun je de structuren afbeelden die binnenin je object de röntgenstralen tegenhouden. Botten bijvoorbeeld.
Wil je met röntgenstralen atomen kunnen ‘zien’, dan moet je net even iets anders te werk gaan. Atomen houden namelijk geen röntgenstraling tegen. Wat ze wel doen, is de röntgenstralen verstrooien – als je maar stralen met een hele korte golflengte gebruikt. Dit levert een karakteristiek stippenpatroon op dat informatie over de structuur bevat.
Röntgenkristallografie Met behulp van kortgolvige, hoogenergetische röntgenstralen kun je kristallen informatie over hun structuur ontfutselen. De atomen in het kristal verstrooien de röntgenstralen, resulterend in een karakteristiek stippenpatroon op een lichtgevoelige detector (vroeger een fotogevoelige plaat, tegenwoordig een CCD sensor). In tegenstelling tot een ‘gewone’ röntgenfoto is dit geen directe afbeelding van de atomaire structuur, maar uit het stippenpatroon valt die structuur wel af te leiden. Het is niet altijd gemakkelijk want alleen als de moleculen heel netjes naast elkaar gerangschikt zijn, zoals in een kristal, ontstaat een voldoende duidelijk stippenpatroon. Een mengseltje van kriskras op elkaar gestapelde moleculen levert een grijs, betekenisloos diffractiepatroon. Het kristal moet bovendien heel zuiver zijn, want ook verontreinigingen leiden tot betekenisloze patronen.
Nobelprize.org
Röntgenkristallografie is één van de krachtigste methoden voor structuurbepaling, maar – en dat was Ada Yonaths probleem – er zijn hele zuivere kristallen voor nodig. En dat is bij grote, beweeglijke en gevoelige biologische moleculen zoals het ribosoom erg lastig. Yonath had er ruim twintig jaar voor nodig om het voor elkaar te krijgen.
Yonath gebruikte ribosoommateriaal uit de bacterie Geobacillus stearothermophilus die temperaturen tot 75 graden Celsius kan weerstaan. De gedachte was dat het ribosoom van zo’n taai organisme relatief stabiel zou zijn en dus makkelijker te kristalliseren. In 1980 lukte het haar inderdaad de eerste kristallen te verkrijgen, althans van de grootste ribosomale subunit. Deze waren verre van perfect maar een volhardende Yonath kwam stapje voor stapje dichterbij haar doel. Ze probeerde materiaal van andere veerkrachtige organismen en gebruikte onconventionele methoden, zoals het stabiliseren van de kristallen door bevriezing in vloeibare stikstof.
Het ribosoom is één van de meest complexe biomoleculen, opgebouwd uit bijna tachtig afzonderlijke eiwitten. Het kent twee delen, een klein deel (links) en een groot deel. In het kleine deel wordt de informatie van mRNA gelezen, afkomstig van het DNA. In het grote deel vindt de productie van de eiwitketens plaats. Hier zie je het ribosoom van Escherichia coli in beeld gebracht met een cryo-elektronenmicroscoop. Bij de mens bevat de kleine subunit een groot RNA molecuul (ribosomaal RNA of rRNA) en ongeveer 32 eiwitten. De grote subunit is opgebouwd uit drie rRNA moleculen en ongeveer 46 eiwitten. Een ribosoom bevat zo vele honderden nucleotiden (de rRNA bouwstenen), duizenden aminozuren (de eiwitbouwstenen) en alles bij elkaar dus honderdduizenden atomen. Ada Yonath was ervan overtuigd dat het zou lukken de precieze locatie van elk van die atomen te bepalen.
Wikimedia Commons
De eerste ribosoomstructuren
In het begin van de jaren negentig slaagde Ada Yonath er eindelijk in ribosoomkristallen te maken die met succes in de röntgenkristallograaf konden. Het stippenpatroon was in principe gedetailleerd genoeg om structuurbepaling mogelijk te maken. Maar toen moest de volgende horde genomen worden. Om uit het stippenpatroon de precieze structuur af te kunnen leiden, moet het zogenaamde ‘fasenprobleem’ opgelost worden. Daarvoor is additionele structuurinformatie nodig. De ‘trucs’ die kristallografen hiervoor meestal toepassen, bleek bij ribosomen niet goed te werken.
Gelukkig had Yonath met het vorderen van haar onderzoek andere wetenschappers gestimuleerd zich ook op dit terrein te begeven. Thomas Steitz was één van hen. Hij had de beschikking over afbeeldingen van het ribosoom met een elektronenmicroscoop, gemaakt door de talentvolle microscopist Joachim Frank. Het leverde precies de extra informatie die nodig was om een structuur te kunnen bepalen.
In 1998 was Steitz de eerste die de kristalstructuur van de grote subunit van het ribosoom publiceerde. Het was een wat vage ‘foto’ waarop de kleinst zichtbare details net onder de nanometer lagen (0,9 nanometer om precies te zijn). Atomen waren nog niet te zien, maar de publicatie betekende een beslissende doorbraak. Nu eenmaal bekend was hoe het moest, was het verder een kwestie van betere kristallen maken en meer data verzamelen.
In augustus en september 2000 publiceerden de drie Nobellaureaten vlak na elkaar de eerste ribosoomstructuren waarbij de plaats van individuele atomen was bepaald. Bij Steitz betrof het de grote subunit van Haloarcula marismortui (een zoutminnend micro-organisme uit de Dode Zee). Yonath en Ramakrishnan brachten de kleine subunit van Thermus thermophilus in kaart (een veel onderzocht temperatuurresistent micro-organisme dat voor het eerst in Japan werd geisoleerd).
Moleculaire meetlat
De mogelijkheid ribosoomstructuren in kaart te brengen gaf Venkartraman Ramakrishnan de kans de fenomenale kwaliteitscontrole in de cellulaire eiwitfabriekjes te bestuderen. Het is namelijk verbazingwekkend hoe weinig foute eiwitten de ribosomen afleveren. Terwijl maar één enkel verkeerd ingebouwd aminozuur al kan betekenen dat een eiwit zijn functie verliest. Of, erger nog, dat het een hele andere functie krijgt en zo een ziekte veroorzaakt.
Ramakrishnan bracht aan het licht dat het kleine ribosoomdeel met een soort moleculaire meetlat verantwoordelijk is voor de kwaliteitscontrole. Nucleotiden van het rRNA bepalen of er een match is tussen codons op het mRNA (die bepalen welk aminozuur aan de beurt is om in het eiwit ingebouwd te worden) en anticodons op het tRNA (de ‘transporteurs’ die de aminozuur-bouwstenen aandragen). Als de onderlinge afstand niet correct is, wordt het aminozuur niet ingebouwd. Deze kwaliteitscontrole vindt twee keer per aminozuur plaats en garandeert vrijwel perfecte eiwitten. Slechts één op de honderdduizend aminozuren is een misser.
De aandacht van Thomas Steitz ging vooral uit naar het grote ribosoomdeel, daar waar de daadwerkelijke assemblage van eiwitten plaatsvindt. Het is erg lastig de chemische reacties te bestuderen die daarbij een rol spelen. Het gaat immers om interacties op moleculair niveau en dan ook nog eens met een verbazingwekkende snelheid: één enkel ribosoom realiseert per seconde zo’n twintig aminozuurkoppelingen. Dankzij Steitz’ research hebben wetenschappers de details van die fabricage stap voor stap weten te doorgronden. Hij slaagde er in om verschillende fasen van de eiwitassemblage ‘in te vriezen’ en daarbij de structuur van het ribosoom te bepalen.
Nieuwe antibiotica dankzij Nobelprijsonderzoek
De Nobelprijswinnaars van dit jaar waren vooral uit op begrip van de werking van het ribosoom op atomair niveau. Alleen al de manier waarop ze daar in slaagden en de kennis die dat opleverde was een Nobelprijs waard. Maar er is ook een praktische dimensie aan hun onderzoek: de ontwikkeling van nieuwe antibiotica.
Alle cellen van alle levende organismen zijn afhankelijk van goed functionerende ribosomen. Een kleine verstoring kan al tot de dood leiden. Daarvan maken we gebruik bij de bestrijding van infecties: antibiotica verstoren de werking van bacteriële ribosomen. Onze eigen eiwitfabrieken laten ze – gelukkig – ongemoeid.
De drie Nobelprijswinnaars hebben alledrie laten zien hoe bepaalde antibiotica aan het ribosoom binden en de werking ervan frusteren. Sommige antibiotica blijken de tunnel te blokkeren waardoor geproduceerde eiwittten het ribosoom verlaten. Andere grijpen in al in bij de vorming van de eiwitten en voorkomen de koppeling van de aminozuren via peptidebindingen. Weer andere antibiotica blijken de vertaling van de DNA/RNA informatie te frusteren zodat er geen – of de verkeerde – eiwitten worden gemaakt.
Structuur van een ribosoom, bepaald met röntgenkristallografie. In oranje zijn de rRNA moleculen weergegeven, de eiwitten van de kleine subunit zijn blauw en die van de grote zijn groen. Even boven het midden zie je, in rood, een antibioticum molecuul. Met de studie van deze structuren hopen onderzoekers nieuwe, effectievere antibiotica te kunnen ontwerpen.
Nobelprize.org
Farmaceutische bedrijven gebruiken zulke informatie bij de ontwikkeling van nieuwe antibiotica. Een aantal daarvan worden inmiddels in de praktijk getest, in de hoop dat ze een oplossing bieden bij de bestrijding van multiresistente bacteriën zoals MRSA. Zo heeft het Nobelprijswinnend onderzoek niet alleen een bijdrage geleverd aan een beter begrip van het leven, maar helpt het ook bij de bescherming ervan.
Dit artikel is een vertaling en bewerking van de ‘informatie voor het publiek’ van het Nobelprijscomité. De orginele versie vind je hier (PDF).
Aanbevolen links volgens het Nobelprijscomité (Engels)
Lees meer op Kennislink:
- Antibiotica: Chemische wapens uit de natuur
- Jongleren met vier letters
- Details dna-transcriptie opgehelderd