Cellen zitten vol grote moleculen. Daardoor kunnen eiwitten, maar ook DNA en RNA – de dragers van genetische informatie – zich minder gemakkelijk via diffusie door de cel bewegen. Met diffusie wordt passief transport bedoeld, waarbij moleculen als het ware meedrijven op de stroom.
De snelheid waarmee eiwitten zich in cellen verplaatsen is belangrijk. Voor veel processen in de cel moeten eiwitten, DNA of RNA elkaar wel tegenkomen. “Maar in de cel is het een drukke bedoening en dat heeft gevolgen voor de diffusiesnelheid van eiwitten en RNA”, zegt Bert Poolman, hoogleraar biochemie aan de Rijksuniversiteit Groningen.
Drukte
De onderzoeksgroep van Poolman bestudeert de effecten van crowding ofwel de drukte in cellen op diffusie. Daarbij ontdekten ze een verband tussen de grootte van een eiwit en de diffusiesnelheid. “Maar voor sommige eiwitten vonden we dat verband juist niet, dus wilden we weten waarom dat zo was.” Het team gebruikte verschillende prokaryoten, eencellige organismen zonder celkern, zoals bacteriën, om de rol van de ionsterkte te onderzoeken. Ze kozen voor de bekende darmbacterie E. coli, een melkzuurbacterie Lactococcus lactis, en Haloferax volcanii, een zogeheten extremofiel die leeft op plekken met zeer hoge zoutconcentraties.
Voor hun experimenten maakten de onderzoekers verschillende varianten van het eiwit GFP, met verschillende elektrische ladingen, variërend van -30 tot +25. Vervolgens bekeken ze de snelheid waarmee de GFP varianten zich verplaatsten in de drie soorten eencelligen. “We zagen dat positief geladen eiwitten erg langzaam diffundeerden. Zij liepen vast in de cel”, legt Poolman uit. Verder onderzoek liet zien dat de positief geladen eiwitten zich niet aan DNA of de celmembraan bonden, maar aan het ribosoom complex. Ribosomen zijn de ‘machines’ in de cel die de eiwitten produceren.
Interessant
Een bioinformatica-analyse van alle eiwitten van micro-organismen en van organismen met een celkern (eukaryoten) liet zien dat ongeveer zeventig procent van de eiwitten een negatieve lading heeft. Poolman: “Interessant was dat de resterende dertig procent bestaat uit of membraaneiwitten of eiwitten die betrokken zijn bij de werking en vouwing van het ribosoom of boodschapper-RNA.”
De membraaneiwitten zijn tijdens hun productie afgeschermd door weer andere eiwitten, zodat ze niet aan de ribosomen blijven plakken. Er zijn dus eigenlijk in de cel geen ‘vrije’ eiwitten met een dermate hoge positieve lading dat ze op de ribosomen gaan zitten. De negatieve lading van het ribosoomcomplex en de ionsterkte in de cel hebben blijkbaar een grote rol gespeeld in de evolutie van de lading van eiwitten.
Onverwacht
Dit nieuwe, onverwachte inzicht dat de mobiliteit van eiwitten afhangt van hun lading kan verklaren waarom het zo moeilijk is bepaalde eiwitten te laten maken door bacteriën met een lage ionsterkte. “Wat we zagen is dat een hoge ionsterkte de plakkerigheid van positief geladen eiwitten vermindert. Dat is een belangrijke constatering voor het ontwerpen van een productiesysteem voor eiwitten.” Het produceren van eiwitten is van groot belang voor allerlei verschillende toepassingen, zoals voeding en geneesmiddelen.
Een andere observatie is dat verschillende endosymbionten – cellen die in een andere cel leven – vooral positief geladen eiwitten hebben. “Dat verbaasde ons”, erkent Poolman. “Je zou verwachten dat al die eiwitten worden aangetrokken door de ribosomen van de endosymbionten. We kunnen vooralsnog niet verklaren hoe deze organismen weten om te gaan met de trage diffusie en de binding van die positief geladen eiwitten aan hun ribosomen.”
Bron:
- Paul Schavemaker, Wojciech Smigiel, Bert Poolman, Ribosome surface properties may impose limits on the nature of the cytoplasmic proteome, eLife (2017), doi:10.7554/eLife30084
- Nieuwsbericht op Science Linx