Nobelprijs voor cryo-elektronenmicroscopie

Membraaneiwitten

Maar die opvatting was aan Richard Henderson (1945) niet besteed. In de jaren zeventig werkte hij aan de Universiteit van Cambridge en daar, net als elders, was eiwitkristallografie dé manier om de structuur van eiwitten te bepalen. Helaas voor Henderson – maar achteraf wellicht een geluk – lieten de membraaneiwitten die hij wilde bestuderen zich niet kristalliseren. Tegen alle heersende wijsheden in besloot Henderson over te stappen naar elektronenmicroscopie om eiwitten in beeld te brengen. Zijn oog viel op bacteriorhodopsine, een paars eiwit dat zich in de membraan bevindt van micro-organismen die licht omzetten in energie (fotosynthese).

Henderson wist dat het niet werkte als je een eiwit uit de membraan haalt, want dan verliest het zijn structuur. Daarom stopte hij het complete membraan in de elektronenmicroscoop met daaromheen nog een suikeroplossing ter bescherming tegen het vacuüm. Door bovendien te spelen met zowel de hoek als de intensiteit van elektronenbundel, bleef het monster intact en werd de structuur zichtbaar. Veel beter zichtbaar zelfs dan algemeen voor mogelijk was gehouden, maar Henderson was verre van tevreden.

In de jaren daarna bleef Henderson stug doorwerken om te bewijzen dat elektronenmicroscopie minstens net zulke gedetailleerde informatie kon leveren als eiwitkristallografie. En met succes: in 1990 publiceerde hij een verbeterde structuur van bacteriorhodopsine met atomaire resolutie.

Patronen in de schaduw

Het succes van Henderson was deels te danken aan de bijzondere en stabiele manier waarop bacteriorhodopsine in een membraan zit gepakt. Dat maakte het bepalen van de structuur relatief makkelijker dan wanneer je kijkt naar een verzameling eiwitmoleculen die allemaal net een andere oriëntatie hebben. Hoe bepaal je de structuur uit een collectie vage stipjes? Rond dezelfde tijd dat Henderson zich vastbeet in de membraaneiwitten, werkte Joachim Frank (1940) in New York aan het probleem van de beeldanalyse. In 1975 stelde hij een theoretische strategie voor die tien jaar later resulteerde in een daadwerkelijke methode.

Frank merkte op dat in de tweedimensionale opnamen van een eiwitmonster extra informatie zat. De willekeurige oriëntatie van alle afzonderlijke eiwitmoleculen zorgde voor een net verschillende ‘schaduw’ in de achtergrond. Frank ontwikkelde een computermethode die patronen in deze schaduwen kan herkennen en de schaduwen kan sorteren. Door afzonderlijke opnames van overeenkomstige schaduwen te combineren ontstaat een veel scherper tweedimensionaal beeld. Eigenlijk een detailopname van iedere ‘kant’ van het molecuul. Vervolgens combineert het programma de afzonderlijke tweedimensionale beelden tot een driedimensionale structuur. Frank demonstreerde de kracht van zijn methode in de jaren tachtig met de publicatie van een model van het ribosoom, het enorme complex dat eiwitten produceert in de cel.

Katapult

Het laatste probleem waar elektronenmicroscopie mee kampte, was het uitdrogen van de kwetsbare biologische moleculen die daardoor hun structuur verloren. De derde laureaat Jacques Dubochet (1942), boog zich over dit probleem. Net als de andere twee vanaf de jaren zeventig, in zijn geval in Lausanne, Zwitserland. Hoe te voorkomen dat het water uit het biologisch monster verdampt? Door het te bevriezen. Dat idee hadden al meer mensen gehad, maar als water bevriest krijg je ijskristallen en die zorgen voor zoveel verstoring van de elektronenbundel dat je helemaal niets meer ziet. Dubochet zag een uitweg: het monster zo snel bevriezen dat er geen tijd is voor kristalvorming en je gestold water krijgt. Net zoals glas ook een gestolde vloeistof is. Door de onregelmatige structuur van het gestolde water raakt de elektronenbundel heel gelijkmatig verstrooid, wat een uniforme achtergrond oplevert waar je geen last van hebt in je beeldanalyse.

Na veel proberen en falen, ontwikkelde Dubochet een eigenlijk zeer eenvoudige techniek. Het monster wordt op een metalen rooster gebracht en vervolgens met een soort katapult heel snel in vloeibaar ethaan van -190 graden Celsius geschoten. In de openingen van het rooster bevindt zich dan een dunne film van gestold (‘gevitrifieerd’) water met daarin de biomoleculen die je wilt bestuderen in hun natuurlijke vorm.

Inmiddels is de cryo-elektronenmicroscopie uitgegroeid tot een vaste waarde in het biomoleculaire structuuronderzoek dat op een routinebasis wordt toegepast om eiwitten, grote eiwitcomplexen en complete virusmantels extreem gedetailleerd zichtbaar te maken. Dankzij het werk van Henderson, Frank en Dubochet kunnen we nu alle onderdelen van een levende cel tot in het kleinste detail zichtbaar maken, aldus het Nobelcomité.