Zonder transport staat alles stil; ook in ons lichaam. Zo brengen transporteiwitten belangrijke moleculaire ladingen naar onze cellen, dwars door het celmembraan. De eiwitten zijn van vitaal belang, maar toch is er nog veel onbekend over deze transporteurs. Hoe gaan ze bijvoorbeeld terug? Kunnen ze wel echt ‘leeg’ zijn? Na negen jaar onderzoek publiceren biochemici en natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen een antwoord op die vraag. Op de website van het tijdschrift Nature Structural and Molecular Biology.
Het is ‘t mysterie van de lege lift. Veel transporteiwitten bewegen als een soort lift dwars door het celmembraan. Als ze hun vrachtje binnen hebben afgeleverd, gaat de lift weer terug naar buiten om een nieuwe lading op te pikken.
“Het mysterie draait om de vraag wat er in de lift zit die weer terug gaat”, vertelt de Groningse hoogleraar biochemie Dirk Slotboom. Zoals Aristoteles al opmerkte: de natuur verafschuwt een vacuüm. “Dus wat vult de ruimte in het transporteiwit wanneer de lading is verdwenen?”
Die vraag is uiteraard te beantwoorden door de structuur van het transporteiwit te onderzoeken. Mét lading, en zónder lading. Maar vooral dat laatste is makkelijker gezegd dan gedaan. De gangbare methode is het eiwit te laten kristalliseren. De kristallen zijn dan met röntgendiffractie te onderzoeken. Maar, zo legt Slotboom uit, “de lading stabiliseert het transporteiwit. Het is erg lastig om een leeg eiwit te laten kristalliseren. Daarom kennen we wel de structuur van een aantal transporteiwitten mét lading, maar niet van eiwitten zónder die lading.”
Negen jaar
Het kostte de onderzoeksgroep van Slotboom maar liefst negen jaar om daar verandering in te brengen. Het onderzoek betrof transporteiwitten die in micro-organismen aspartaat vervoeren. Dit zijn homologe eiwitten van een eiwit dat in onze hersenen betrokken is bij het transport van de neurotransmitter glutamaat. Homologe eiwitten zijn eiwitten voorkomend in verschillende levensvormen, maar met een overeenkomstige functie.
De strategie van Slotbooms groep was om zoveel mogelijk homologe transporteiwitten van verschillende micro-organismen te testen, in de hoop er één te vinden die goed wilde kristalliseren. En uiteindelijk was het raak. Het lukte promovendus Sonja Jensen om kristallen te groeien van het aspartaat transporteiwit uit de oerbacterie Thermococcus kodakarensis.
“Zodra je goede kristallen hebt, heb je ook al snel de structuur. Dat is het moment om de champagne te ontkurken”, zegt Slotboom. “En daarna komen de nieuwe vragen”.
Lege ruimte opgevuld
Uit de eiwitstructuur bleek wat er in de lege lift zit: de zijketen van het aminozuur arginine. Dit bevindt zich aan het uiteinde van het transporteiwit. Slotboom vertelt dat de zijketen “naar binnen klikt” zodra het aspartaat binnen in de cel is uitgeladen. “En vermoedelijk zitten er ook nog een paar watermoleculen bij.” Het eiwit zorgt er dus zelf voor dat de laadruimte nooit echt ‘leeg’ is.
De Groningse ontdekking biedt een verklaring voor de door een mutatie verstoorde functie van het glutamaat transporteiwit in de hersenen van mensen en zoogdieren. “Daarin is het arginine als gevolg van de mutatie vervangen door cysteïne”, legt Slotboom uit. “Dat is een kleiner aminozuur, zonder zijketen. Het transporteiwit kan dan niet meer zelf de lege ruimte opvullen en de lift kan alleen terug als er opnieuw glutamaat in zit. Netto wordt er dan niets getransporteerd.”
Beroerte
Slotbooms onderzoek leidt tot een beter begrip van transport in cellen en van wat er daarbij mis kan gaan. Dat is fundamenteel werk, maar heeft wel praktische consequenties. “Een concreet voorbeeld is de hersenschade die ontstaat door een beroerte”, zegt Slotboom. “Een deel van de hersenen krijgt dan een gebrek aan zuurstof, en er ontstaan problemen met het transport van de glutamaat neurotransmitter. Ons onderzoek biedt aanknopingspunten om de schade na een beroerte te verminderen.”
Maar dat is iets voor de verre toekomst, en bovendien niet de richting die Slotboom zelf met zijn onderzoek nastreeft. “Ons doel is om te begrijpen hoe dit soort transporteiwitten werkt. We hebben ontdekt wat er in de lege lift zit. Nu willen we weten hoe die lift precies beweegt!”