U bent hier

Rouslan Efremov, Jan Steyaert en Han Karel Remaut kunnen de elektronenmicroscoop gebruiken vanaf september.

Dat de Willy Van Der Meeren koten op de campus in Etterbeek een nieuwe, wetenschappelijke bestemming krijgen, wisten we al. De werkzaamheden zijn volop bezig. Zo wordt een deel van de rode koten momenteel omgebouwd tot microscooplab. In september 2018 moet alles klaar zijn, want dan wordt het nieuwste pronkstuk ingehuldigd: een cryo-elektronenmicroscoop die zijn gelijke niet kent in Europa. Met het apparaat zullen biologen haarfijne driedimensionale beelden kunnen schieten van eiwitten in een levensechte setting.

A cryo-electron microscope unlike any other in Europe has found its way to the  campus in Etterbeek this April. It gives structural biologists incredibly sharp, three-dimensional images of proteins in a setting that resembles their natural environment.

Tekst : Senne Starckx / Foto’s: Saskia Vanderstichele

 

Binnenkort wordt een hypermoderne microscoop ingehuldigd die eiwitstructuren kan blootleggen in een realistische setting. De nieuwe ‘cryo-EM’ zal een flinke boost geven aan domeinen die sterk afhangen van informatie over complexe moleculaire structuren, zoals de ontwikkeling van nieuwe medicijnen.

Als kind was Jan Steyaert, hoofd van de vakgroep Structuurbiologie, al gepassioneerd door de natuur. En ook het doorgeven van kennis zit ‘m in de genen. “Ik was nog maar zestien toen ik mijn diploma van natuurgids behaalde – als een van de eersten in Vlaanderen. Toen ik biologie ging studeren, ontdekte ik echter al gauw dat alle natuurpracht is opgebouwd uit bouwstenen die thuishoren in een wonderlijke maar grotendeels onzichtbare wereld.”

 

Ruimtelijke structuren
In de structuurbiologie worden precies deze bouwstenen bestudeerd, die op een hoger niveau complexe moleculen vormen zoals eiwitten en DNA. In dit domein primeert niet de samenstelling van complexe biomoleculen (die is vaak al wel bekend), maar de manier waarop de duizenden eiwitatomen ruimtelijke structuren vormen. Het is immers deze driedimensionale structuur die bepaalt hoe een eiwit functioneert en hoe andere (vaak veel kleinere) moleculen zich eraan vasthechten – en de werking van een eiwit beïnvloedt.

 

In de meeste experimentele wetenschappen hangen nieuwe ontdekkingen vaak samen met verbeterde onderzoeksapparatuur. In de structuurbiologie is dat niet anders. Met de installatie van de cryo-elektronenmicroscoop wordt dan ook een nieuw tijdperk ingeluid. Bio-ingenieurs zoals Steyaert zullen een hele resem moleculaire structuren kunnen onthullen.

Toen ik nog studeerde was dit een nog grotendeels onontgonnen domein.
-
Jan Steyaert

De toepassingen van deze nieuwe kennis zijn legio. Zo kan ze een doorstart betekenen van drug discovery: farmaceutische onderzoekers gaan ermee aan de slag om nieuwe medicijnen te ontwikkelen. Die zoektocht verliep tot voor kort via trial-and-error. Dankzij de structuurbiologie kunnen eiwitten waarvan de structuur is gekend, doelgericht worden benaderd. Hierdoor schiet de kans op succesvolle farmaceutische ontdekkingen de hoogte in, en verkort de ontwikkelingstijd van nieuwe medicijnen.

 

Valium

“Je zou ervan versteld staan hoe weinig we weten van de medicijnen die we gebruiken,” vertelt Steyaert. “Neem bijvoorbeeld diazepam (de werkzame stof achter valium, red.). We weten al decennialang op welk eiwit dit slaap- en kalmeringsmiddel ingrijpt. Maar we wisten niet waar of hoe valium precies bindt aan de eiwitreceptor.”

 

Het ‘valiumvraagstuk’ werd opgelost met cryo-elektronenmicroscopen van de universiteiten van Oxford en van Cambridge. Bij ‘cryo-EM’ wordt een gezuiverd eiwitstaal ingevroren in een zeer dun laagje ijs en vervolgens onder een zeer gevoelige microscoop gelegd. Eén staal bevat miljoenen exemplaren van hetzelfde eiwit, elk diep ingevroren in een andere oriëntatie. Door de random oriëntatie van de moleculen maakt de elektronenmicroscoop opnames van alle projecties – de microscoop draait dus niet rond, het zijn de eiwitten die zich van alle kanten tonen. “De elektronen gaan dwars doorheen de moleculaire structuur, en worden alleen gestopt als ze op een atoom botsen,” legt Steyaert uit. “Door individuele elektronen te detecteren die niet worden geabsorbeerd, krijgen we een 2D-projectie van de driedimensionale eiwitstructuur.” [Lees verder onder de foto]

Jan Steyaert, Han Karel Remaut en Rouslan Efremov bewonderen de elektronenmicroscoop.

De resolutie van de afzonderlijke projecties valt echter tegen. Steyaert: “Maar voor elke oriëntatie beschikken we wel over duizenden opnames (weliswaar van verschillende moleculen, maar ze zijn identiek dus dat maakt niet uit, red.). Door die opnames met de computer te combineren, verkrijgen we 2D-beelden met een hogere resolutie. Vervolgens herhalen we dit proces voor elke oriëntatie, waarna we de haarfijne beelden ook nog eens combineren in een driedimensionaal beeld. Zo wordt de volledige structuur van het eiwit in 3D blootgelegd.”

 

Röntgenkristallografie

De ingenieuze werking achter de cryo-EM ontging vorig jaar ook het Zweedse Nobelprijscomité niet. Toen kregen Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson de Nobelprijs Chemie voor hun werk dat volgens het Nobelcomité ‘een doorbraak betekende in de studie van levende, actieve eiwitten’. Henderson tekent overigens in september present op de VUB tijdens de inhuldiging van de cryo-elektronenmicroscoop.

 

Tot voor kort kon de structuur van eiwitten alleen worden bepaald met röntgenkristallografie, maar daarvoor waren moleculen in vaste vorm nodig (ze moesten eerst worden ‘gekristalliseerd’). Helaas is dit bij heel wat menselijke, dierlijke en bacteriële eiwitten niet mogelijk.

 

De drie Nobelprijswinnaars verruilden de röntgenstraling (X-stralen) voor deeltjes (elektronen) om naar eiwitten in oplossing te kijken, een setting die sterk overeenkomt met hun ‘natuurlijke habitat’. Lange tijd lag de resolutie van deze opnames met de toenmalige elektronenmicroscopen echter veel te laag om de driedimensionale structuur tot op atomair niveau te reconstrueren. Daarom noemden structuurbiologen deze methode grappend ook weleens de ‘blobologie’: verder dan een vage, slijmachtige vorm (een ‘blob’) kwam je immers niet.

Je zou ervan versteld staan hoe weinig we weten van de medicijnen die we gebruiken.
-
Jan Steyaert

Dubochet, Frank en Henderson slaagden er uiteindelijk in de resolutie van de elektronenmicroscoop te verhogen. Daarnaast ontwikkelden ze vriesmethodes – vandaar de ‘cryo’ in de naam van de nieuwe microscoop – en ook software om computergestuurd de beelden van de verschillende oriëntaties van het eiwit te combineren tot een 3D-structuur.

 

Zenuwcentrum

De cryo-EM die momenteel in de voormalige gele studentenkoten op de campus wordt geïnstalleerd, is nog maar de tweede van de nieuwste generatie – de andere staat in Japan. Daarmee worden Brussel en de VUB-campus straks één van de zenuwcentra voor cryo-EM in de wereld Europa. “Vanaf september is het de bedoeling dat de microscoop 24 uur op 24, zeven dagen op zeven draait,” zegt Steyaert. “Zeventig procent van de tijd zal hij door ons worden gebruikt, de overige observatietijd gaat naar andere Vlaamse en Europese wetenschappers, en naar de industrie.”

 

Vooral de farmaceutische industrie is geïnteresseerd, want zij heeft de precieze kennis van (menselijke) eiwitstructuren broodnodig om nieuwe werkzame stoffen te ontdekken en verder te ontwikkelen. Wat gebeurt er eigenlijk als de structuur van een eiwit is blootgelegd? Steyaert: “In de structuurbiologie werken we al jaren volgens het open science-principe. Als een structuur wordt gepubliceerd, gaat hij automatisch naar een centrale database, de Protein Data Bank, die toegankelijk is voor alle onderzoekers in het domein.”

 

De VUB-onderzoekers hopen met hun gloednieuwe cryo-EM straks ook een nieuwe doorbraak in hun domein te forceren. “We werken momenteel aan technologie om beelden te maken in functie van de tijd, en die te vertalen in ‘levensechte’ filmpjes van actieve eiwitten of volledige celonderdelen.” Maar voordat het zo ver is, focussen Steyaert en z’n collega’s op de ontelbaar vele eiwitten die niet kristalliseren en waarvan ze – eindelijk – de structuur zullen kunnen onthullen dankzij de nieuwe cryo-elektronenmicroscoop. “We kunnen straks structuren zien die nog nooit eerder in kaart zijn gebracht. Dat is enorm spannend, er gaat een nieuwe wereld open voor ons.”