Eiwitten zijn de complexe moleculen die een cruciale rol spelen in het lichaam en het meeste werk verrichten in cellen. Deze moleculen zijn een vereiste voor de opbouw, het functioneren en regulering van de lichaamseigen weefsels en organen.
Wetenschappers dromen er al lang van om een beeld van een enkel eiwit te kunnen vastleggen, ter bevordering van structurele biologie, en daarmee de verschillende gebieden in de natuurwetenschappen.
Met informatierijke beelden is het voor de wetenschappers makkelijker om hun structuur en functies te begrijpen. Dit is belangrijk voor het behandelen van ziekten waarbij eiwitten verkeerd gaan, zoals Alzheimer.
Maar beeldvormende methoden, zoals röntgenkristallografie of cryo-elektronenmicroscopie staven hun bevindingen op de gemiddelde metingen uit miljoenen moleculen, en leveren een wazig zicht op de feiten.
Echter, een fotoshoot met een eiwit is niet zo vanzelfsprekend en vereist meerdere voorwaarden voor een goede afloop.
Allereerst moet er een werkwijze beschikbaar zijn voor het isoleren van afzonderlijke eiwitten voor verdere inspectie. Net het tegenovergestelde van de uitdaging die eruit bestaat om eiwitten samen te stellen in een kristal voor röntgenanalyse.
Bovendien zijn technologieën nodig om een enkele proteïne lang genoeg stabiel te kunnen houden in een ruimte om voldoende structurele informatie te bekomen.
Tenslotte, men moet de molecule met enorm veel zorg benaderen om de simpele reden dat een intense bron van radiatie schade kan berokkenen aan het eiwit.
Een enorm milde straling is daarom vereist. Een golflengte zo sloom dat het constructiedetails kan ontdekken terwijl stralingsschade het eiwit niet aantast of afbreekt tijdens de observatie. Lage-energie elektronen holografie is hier van vitaal belang voor beeldvorming.
Vorig jaar hielp grafeen – het wondermateriaal – nog bij de opzet om de allereerste foto van licht voor te schotelen. Nu zijn onderzoekers van de Universiteit van Zürich in Zwitserland er in geslaagd om – via grafeen – ’s werelds eerste beeld van een enkel eiwit aan te leveren.
De wetenschappers starten door een oplossing van de eiwitten op een vel grafeen aan te brengen, om de eiwitten in plaats te stellen.
Daarna leggen ze dit onder een holografische elektronenmicroscoop, die maakt gebruik van het interferentiepatroon tussen de elektronen om een beeld te produceren.
Dit soort instrument is gebaseerd op lage-energie-elektronen die het eiwit niet beschadigen. De moeilijkheid is dat ze minder in staat zijn om door te dringen tot de detector van de microscoop.
“In optische microscopie heb je een glasplaatje. Voor onze elektronen-microscoop moesten we een substraat vinden dat dun genoeg is om de elektronen door te laten”, zegt Longchamp.
Dit is waar grafeen van pas komt.
Het Zwitserse team testte de methode op een reeks van eiwitmoleculen, allemaal slechts een paar nanometer in omvang, zoals de hemoglobine in rode bloedcellen. De resultaten kwam goed overeen met moleculaire modellen die werden afgeleid van röntgenkristallografie (‘b’ in bovenstaande afbeelding), wat suggereert dat de beelden nauwkeurig zijn.
De onderzoekers plannen foto’s van andere moleculen te nemen die niet kunnen worden afgebeeld met de bestaande technieken en hopen uiteindelijk bij te dragen aan nieuwe medische behandelingen.
“Er zijn een aantal ziekten die samenhangen met de verkeerde structuur van bepaalde eiwitten,” zegt Longchamp.
“In de toekomst kunnen we het verschil van de structuur van een gezond persoon en een persoon die een ziekte heeft in beeld brengen.”
Bron: Arxiv, newscientist.com
Foto: Jean-Nicolas Longchamp – Universiteit van Zurich, Zwitserland