Onderzoekster Lisa-Marie Funk analyseert proteïne-kristallen onder een microscoop. Nora Eulig

Onderzoekers ontdekken hoe proteïnen bliksemsnel signalen doorsturen

Proteïnen zijn essentieel voor elke levende cel en verantwoordelijk voor veel fundamentele processen. Ze zijn in het bijzonder nodig als bio-katalysatoren in de stofwisseling, en voor het doorsturen van signalen in de cel en tussen cellen onderling. Veel ziektes ontstaan als gevolg van fouten in die communicatie. Nu hebben Duitse onderzoekers voor het eerst de beweeglijke protonen gezien die deze communicatiefunctie vervullen in iedere levende cel. Dat biedt nieuwe inzichten en opent op termijn de weg naar tal van toepassingen, onder meer nieuwe geneesmiddelen, zo zeggen de onderzoekers. 

Onderzoekers van de Georg-August-Universität Göttingen vonden een manier om kristallen van hoge kwaliteit te laten groeien van een menselijk proteïne. 

De DESY deeltjesversneller in Hamburg maakte het vervolgens mogelijk om protonen - subatomaire deeltjes met een positieve lading - te observeren die zich voortbewogen in de proteïne. Deze verrassende 'dans van de protonen', zoals de onderzoekers het fenomeen noemen, toonde hoe ver van elkaar gelegen delen van de proteïne in staat waren bliksemsnel met elkaar te communiceren, zoals elektriciteit die door een draad beweegt. 

 Bovendien verkreeg het team gegevens van hoge resolutie voor verschillende andere proteïnen, die in nooit eerder gezien detail de structuur toonden van een soort van waterstofbrug waarbij twee zwaardere atomen daadwerkelijk een proton delen, wat een lage barrière waterstofbinding genoemd wordt (low-barrier hydrogen bonding, LBHB). 

Dat was een tweede verrassing: de gegevens bewezen dat lage barrière waterstofbinding inderdaad bestaat in proteïnen en zelfs een essentiële rol speelt in het proces van het overbrengen van signalen. Het is het omschakelen tussen lage barrière waterstofbindingen en gewone waterstofbindingen met behulp van katalysatoren, dat signalen doorstuurt, door het collectief herschikken van protonen die zich gedragen als een Newtonpendel op atomair niveau. 

Een Newtonpendel, waarbij als men een balletje naar achteren trekt en dan loslaat, het balletje aan de andere kant zal wegschieten en terugvallen, waarop het eerste balletje opnieuw wegschiet etc. Als men aan één kant twee balletjes neemt, zullen aan de andere kant ook twee balletjes wegvliegen. Public domain

Newtonpendel

"De bewegingen van de protonen die we waargenomen hebben, leken sterk op het speeltje dat bekend staat als een Newtonpendel, waarin de energie onmiddellijk overgebracht wordt langs een reeks metalen balletjes die aan twee draden zijn opgehangen. In proteïnen kunnen deze beweeglijke protonen onmiddellijk een verbinding maken met andere delen van de proteïne", zei professor Kai Tittman in een persbericht van de Georg-August-Universität Göttingen.

Tittman leidde het onderzoek samen met professor Ricardo Mata. In het laboratorium van Mata werden kwantum-chemische berekeningen uitgevoerd, die toelieten het proces te simuleren. Die berekeningen boden ook een nieuw model voor het communicatiemechanisme van de protonen. 

"We weten al een tijd dat protonen kunnen bewegen op een 'eensgezinde' manier, in water bijvoorbeeld. Nu lijkt het erop dat proteïnen zich op zo'n manier ontwikkeld hebben dat ze daadwerkelijk deze protonen kunnen gebruiken om signalen over te brengen", zei Tittman. 

De onderzoekers geloven dat deze doorbraak kan leiden tot een beter begrip van de scheikunde van het leven, tot een beter begrip van de mechanismen achter ziektes en dat dit kan leiden tot nieuwe geneesmiddelen. De doorbraak zou het ontwikkelen van verwisselbare proteïnen mogelijk moeten maken, proteïnen die aangepast kunnen worden voor een groot aantal potentiële toepassingen in de geneeskunde, de biotechnologie en in milieuvriendelijke scheikunde. 

De studie van het team van de Georg-August-Universität Göttingen, van wie er een aantal ook werken in het Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in Göttingen, is gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Georg-August-Universität Göttingen. 

Voorstelling van myoglobine, de eerste proteïne waarvan de driedimensionale structuur werd blootgelegd. Public domain