Samenspel van eiwitten zorgt voor biologische klok in cyanobacteriën

Twee tegelijkertijd gepubliceerde artikelen in Science geven nu een gedetailleerde verklaring van de werking van de bacteriële oerklok. In beide gevallen hebben de onderzoekers zich geconcentreerd op de structuur van de eiwitten en hoe die structuur bepaalt wat ieder eiwit op welk moment doet. Een van de artikelen is geschreven door onderzoekers van de Universiteit Utrecht onder leiding van Albert Heck, hoogleraar Biomoleculaire Massa Spectrometrie.

Tijd bevriezen

Hecks groep gebruikte een heel gevoelige analytische techniek, massaspectrometrie, om precies te bepalen hoe de drie eiwitten aan elkaar binden en in welke verhouding ze dat doen. Maar omdat dit een proces is dat continu in beweging is, is het lastig te bestuderen. De truc: de temperatuur flink verlagen om de klok als het ware stil te zetten. Door dit op gezette tijden te doen, kregen de onderzoekers een inkijkje in de details en het tijdsverloop van de onderlinge interacties tussen de eiwitten. “De radertjes van de klok”, aldus Heck.

De centrale speler in de klok is het eiwit KaiC. Dit eiwit vormt een hexameer: zes KaiC-eiwitten vormen samen een groot complex dat eruitziet als twee op elkaar gestapelde ringen. “Het bijzondere aan KaiC is dat het zichzelf kan fosforyleren, maar ook kan de-fosforyleren”, legt Heck uit. Fosforyleren is het bevestigen van een fosfaatgroep, een fosforatoom met daaraan gebonden vier zuurstofatomen. Dit is een algemeen proces in levende cellen, waardoor eiwitten worden geactiveerd. Meestal gebeurt het bevestigen en verwijderen van een fosfaatgroep door speciale enzymen. Maar KaiC kan dit dus zelf.

De cyclus komt op gang zodra KaiA bindt aan KaiC. Dan kan KaiC zichzelf fosforyleren en activeren. Dat proces gaat door totdat het maximale aantal KaiA-eiwitten is gebonden. “Dan wordt het geraffineerde van dit systeem mooi zichtbaar”, zegt Heck enthousiast. “Door het binden van die KaiA-eiwitten wordt een van de ringen in KaiC strakker dichtgetrokken, waardoor de structuur van het hele KaiC-KaiA complex verandert. Hierdoor kan KaiB gaan binden, wat eerst niet kon. En dat zet de tweede helft van de cyclus in gang.”

Het wordt even een ingewikkelde opsomming, maar doordat KaiB erbij komt, wordt KaiA van z’n plek verdrongen en laat los. Het vrije KaiA gaat nu echter binden aan KaiB. Dat zorgt er weer voor dat de fosfaatgroepen op KaiC eraf vallen. Dan kan KaiC de andere eiwitten niet meer vasthouden. Alles laat los en KaiC is weer terug in dezelfde ‘lege’ vorm als in het begin. Dit hele proces duurt 24 uur.

Hoe kijkt Heck tot slot naar het andere Science-artikel over de werking van deze klok? Ook daarin zien we gedetailleerde eiwitstructuren die het mechanisme verklaren. “Ik heb het artikel pas net onder ogen gekregen, maar ik ben er heel blij mee. In dat stuk gaat de aandacht meer uit naar structuurdetails in de actieve delen van de eiwitten, naar een enkel radertje. Wij kijken meer naar de big picture, de gehele klok. De artikelen vullen elkaar mooi aan, zonder dat we hebben samengewerkt. Onze bevinden worden bevestigd door hun werk en andersom. En hun resultaten hebben mij meteen weer ideeën opgeleverd voor nieuwe experimenten.”

&feature=youtu.be