Inzoomen op moleculen

Posted on 3 nov '07

Uiteindelijk is het leven gemaakt van dode dingen

Als je weet hoe de allerkleinste deeltjes waar we van zijn gemaakt in elkaar zitten, begrijp je beter hoe ze hun werk doen. Helaas volstaan gangbare microscopen niet om ze mee te bekijken. Jan Pieter Abrahams bekijkt onze levensmoleculen door op een creatieve manier verschillende vergroottechnieken met elkaar te combineren.

Jan Pieter Abrahams zoomt in op de moleculen van het leven. Hij wil weten hoe ze eruit zien. Een van die moleculen die Abrahams in beeld heeft gebracht is het ribosoom. Op de tafel in zijn werkkamer ligt er een, een miljoen keer vergroot: een ronde grijze klont met gekleurde uitsteekseltjes. Hij maakte die in de 3D-printer die hij aanschafte. ‘Die verschillende kleuren zijn verschillende eiwitten’, verduidelijkt hij. ‘Een ribosoom heeft zelf geen kleur want hij is kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. Rood licht heeft een golflengte van 700 nanometer ofwel 700 miljardste meter. Deze ribosoom is in werkelijkheid 50 nanometer.’

‘Je zit eigenlijk met een mitrailleur naar een schilderij te kijken’

Ribosomen komen in grote aantallen in al onze cellen voor. Het zijn complexe molecuulstructuren. Met de informatie die uit het DNA komt maken ze eiwitten. Deze eiwitten zorgen ervoor dat allerlei chemische reacties plaatsvinden. Zonder eiwitten is er geen beweging en geen leven. En zonder ribosomen geen eiwitten. Net als bij een draaiorgel gaat de code aan de ene kant het ribosoom in. Aan de andere kant komt de muziek, het eiwit eruit. ‘De manier waarop deze eiwitfabriekjes werken is al miljarden jaren succesvol,’ vertelt Abrahams. ‘Als je naar zo’n ribosoom kijkt, kijk je eigenlijk terug in de tijd: de ribosomen in onze cellen zien er net zo uit als die van de eerste oervissen.’

Abrahams duwt tegen de grens aan van wat zichtbaar te maken is. Als hij een eiwit of een ribosoom in beeld heeft gebracht, ziet hij als een van de eersten complexe structuren die er al een miljard jaar zijn. ‘Dat is beter dan wat een astronaut ziet,’ zegt hij enthousiast. ‘Het drijft me ook echt, ik ben heel nieuwsgierig naar wat ik te zien krijg.’ Door beelden van verschillende apparaten en technieken met elkaar te combineren krijgt hij een scherper beeld. ‘Mijn werk is heel visueel,’ vertelt hij, ‘ik vraag me voortdurend af op welke manier ik dingen toch zichtbaar kan maken. Die limiet wordt onder andere bepaald door de golflengte van het licht waarmee je kijkt. Hoe roder het licht, hoe langer de golflengte, hoe minder detail er zichtbaar is. Blauw licht heeft een kortere golflengte, dus daar kun je kleinere dingen mee zien.’

Maar met licht alleen komt Abrahams nog niet waar hij wil zijn. ‘Ik wil een afbeelding zien van dat wat ik vergroot. Daar heb ik lenzen en optiek voor nodig. Om te vergroten moet je het licht breken. Maar hoe korter de golflengte wordt, hoe lastiger dat licht te breken is. Je bereikt letterlijk een fysieke grens als je kleine dingen wilt bekijken met zichtbaar licht. Je moet dus andere manieren verzinnen om een afbeelding te krijgen.’

Een elektronenmicroscoop kent dat optiekprobleem niet. Je beschiet een preparaat van wat je wilt vergroten en vangt de elektronen aan de achterkant weer op. Daar waar de elektronen worden tegengehouden, halen ze de achterkant niet. Met lenzen wordt deze informatie omgezet in een zwart-wit afbeelding. Maar ook deze vergroottechniek heeft zijn eigen beperkingen. Abrahams legt uit: ‘Dingen die je bekijkt gaan stuk door de elektronen die je erop af stuurt. Je zit eigenlijk met een mitrailleur naar een schilderij te kijken. Dat kun je niet te lang doen want dan blijft er niets meer van over. Ik kan dus maar heel kort kijken. En dat levert een onderbelicht plaatje op.’

Abrahams lost dit probleem op door een heleboel onderbelichte foto’s te maken. Molecuulstructuren van eiwitten zien er allemaal precies hetzelfde uit. Een groot aantal vage plaatjes van de identieke structuren schuift hij over elkaar. Zo leveren ze samen wel een beeld op. Met veel details en van alle kanten. Met die informatie kan Abrahams met zijn 3D printer een tastbaar model op schaal maken.

lysosym
De vouwstructuur van het lysozym.
Dit eiwit maakt de wand van een bacterie stuk.

De technieken die Abrahams ontwikkelt, maken het mogelijk om op een nieuwe manier naar moleculen te kijken. Als je weet hoe ze er in detail uit zien, kun je begrijpen hoe ze werken. Die kennis kun je gebruiken om in te grijpen als er dingen misgaan. Abrahams noemt een concreet voorbeeld: ‘Antibiotica hechten gemakkelijk aan ribosomen. Als je bijvoorbeeld een steenpuist hebt word je behandeld met fusidinezuur. Dat stofje schakelt ribosomen uit door zich aan ze vast te plakken. Nu we weten hoe ribosoom en antibioticum er in detail uitzien, begrijpen we precies hoe die twee in elkaar grijpen en hoe het ontstekingsproces wordt lamgelegd.’

Verstrikt
Ook andere stoffen geven hun medicinale werking prijs, zoals lysozym. Dat is een enzym dat bacteriën doodmaakt. Abrahams: ‘Het zit in eieren. Zo’n kip zit lekker te broeden, het ei wordt warm. Bacteriën zijn daar niet welkom. Vandaar dat dit antibacteriële spul in eierstruif zit. Vroeger gebruikten ze het om een wond mee te behandelen. Je brak een ei, peuterde het dunne velletje vlak onder de schil eruit en legde dat op de wond. Het voorkwam bacteriële infecties, zonder dat men wist hoe het werkte. Het werkt beter dan een pleister.’ Nu de structuur ervan bekend is kan Abrahams herleiden hoe het enzym een bacterie lek prikt.

Lysozym wordt tegenwoordig gebruikt om aspirantstudenten kennis te laten maken met een andere methode om eiwitstructuren mee te bekijken: röntgenkristallografie. Op de open dagen van het Gorlaeus Lab kunnen geïnteresseerde scholieren aan de slag in de werkplaats van Abrahams. ‘De structuur van dit enzym is al langer bekend, maar het is mooi spul om kennis te maken met de methode. Het laat zich redelijk makkelijk kristalliseren. De moleculen liggen dan allemaal keurig in het gelid. Door röntgenstralen door het kristal te sturen is uit het verstrooiingspatroon te herleiden hoe de losse moleculen eruit zien en hoe ze in elkaar grijpen. Deze techniek gaat al bijna vijftig jaar mee. De dubbele spiraalvorm van DNA bijvoorbeeld, werd voor het eerst gezien door deze techniek te gebruiken.

De 3D-printer die de vakgroep van Abrahams gebruikt om modellen mee af te drukken maakt geen plaatjes op papier maar maakt van poeder en lijm modellen in drie dimensies: breedte, hoogte en diepte. Hij doet dat door hele dunne laagjes op elkaar te stapelen. De dikte van die laagjes is in te stellen, afhankelijk van de behoefte aan details. Om een eiwitmodel te printen is het apparaat wel een paar uur bezig.

Abrahams zou graag een ruimtelijk model maken van een complete menselijke cel. Vooralsnog ontbreken daarvoor veel gegevens. De door hem ontwikkelde technieken geven nog niet alle geheimen prijs. Sommige delen zijn zo klein dat er wel een miljoen opnames voor nodig zijn. Om die over elkaar te schuiven tot er een helder beeld ontstaat vergt veel rekenkracht. Bovendien is een levende cel geen optelsom van losse delen. ‘We hebben wel vermoedens over de onderlinge relaties tussen ribosomen, eiwitten en DNA. Als je weet hoe ze fysiek op elkaar reageren krijg je veel meer inzicht in de celprocessen. Uiteindelijk is het leven gemaakt van dode dingen. En in onze cellen vinden processen plaats die essentieel zijn voor het leven. Tot nu toe zijn we nog niet zó dichtbij de essentie van het leven geweest. Ik werk er hard aan om dat onzichtbare zichtbaar te maken.”

cover wetenschap in NL
Uit: ‘Op Onderzoek, Wetenschap in Nederland’ Hoofdstuk 11: Alles is Chemie. NWO 2007, uitgeverij BOOM.

Be the first to leave a comment

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *