Reis naar het binnenste van de cel
Samen met de NMR-faciliteit van het Bijvoet-centrum(Scheikunde) en met de onderzoeksschool IMAGO (Geneeskunde) heefthet Centrum voor Elektronenmicroscopie EMSA (Biologie) Utrecht deafgelopen jaren een grote faam bezorgd als het landelijke mekka vande beeldvormende technieken in het bio-medisch onderzoek. Op 12 meiwordt op de vijfde verdieping van het Kruijtgebouw de aanschaf vande eerste volledig computergestuurde 3D-elektronenmicroscoopgevierd.
Als prof.dr. Arie Verkleij voorzichtig de deur opent, is heteven alsof we een kapel betreden. Er dringt maar weinig licht doorin de verstilde ruimte waar de blik van de bezoeker als vanzelfgetrokken wordt door een futuristisch ogend apparaat midden in deverder lege zaal. "Kijk, dat is hem", zegt Verkleij trots,"volledig automatisch en met naar keuze bediening voor de rechter-of de linkerhand. Je schuift er het preparaat in en dan doet hijverder alles zelf. In feite functioneert hij als een pc. Wij kunnengewoon achter de computer gaan zitten om de beelden tebekijken."
Met 'hem' en 'hij' bedoelt Verkleij de Technai 20, het onlangsin Utrecht gearriveerde eerste exemplaar van een door Philipsontwikkelde driedimensionale elektronenmicroscoop. Als voorbeeldvan wat de Technai 20 kan, tovert de onlangs in Utrecht aangesteldeKNAW-fellow dr. Bram Koster op het beeldscherm een stukje van eencel tevoorschijn, waarin met de beste wil van de wereld geen dieptekan worden onderscheiden. Dan neemt hij de muis ter hand en zorgter al klikkend voor dat de structuur gaat draaien. En plotselingkrijgt het beeld voor de toeschouwer de ruimtelijkheid van eendriedimensionale weergave, waarin het 'skelet' van de cel fraainaar voren komt.
Koster: "Het ruimtelijk effect wordt bereikt door een grootaantal opnamen van het preparaat te maken terwijl we het in demicroscoop laten ronddraaien. Met behulp van een computerprogrammaworden die plaatjes vervolgens samengevoegd tot een beeld dat we opde pc naar believen in alle gewenste richtingen kunnen draaien.Voor leken is er dan misschien nog niet veel te zien, maar vooronderzoekers biedt deze nieuwe techniek de mogelijkheid om als hetware binnenin het preparaat te kijken, terwijl ze tot nu toe geendiepte konden zien."
Elektronenbundels
De elektronenmicroscopie werd in de jaren dertig ontwikkeldomdat de grens van wat nog zichtbaar gemaakt kon worden met gewonemicroscopen was bereikt. Door een object met elektronenbundels tebestoken, kon een aanmerkelijke winst in vergrotend vermogen wordenbereikt. Terwijl lichtmicroscopen een voorwerp maximaal duizendmaal vergroten, kunnen met een elektronenmicroscoop (maximalevergroting: 900.000) preparaten tot op één nanometer(10-9 meter) nauwkeurig worden bekeken. In de beeldspraak vanoud-voetballer Verkleij: "Vroeger zag je alleen een luchtfoto vaneen stadion, nu kun je ook zien wie er aan de bal is."
Een probleem was tot nu toe echter dat met deelektronenmicroscoop geen driedimensionale opnamen konden wordengemaakt, vertellen Koster en Verkleij. "Dat kwam omdat onzecomputers niet snel genoeg waren. We konden wel verschillendeopnamen maken, maar de verwerking daarvan duurde maanden. Bovendienmoest het preparaat zo lang aan de elektronenbundels wordenblootgesteld dat het schade opliep, met als gevolg dat veelinformatie verloren ging. Pas een paar jaar geleden kregen we debeschikking over computers die wel snel genoeg waren. Toen kondenwe eindelijk serieus beginnen met het werk waarvan het resultaat nuhier staat."
Samen met centra in Amerika en Duitsland behoort de UtrechtseEMSA (Electron Microscopy and Structure Analysis) internationaaltot de top op het gebied van de elektronenmicroscopie, een positiedie met de komst van Koster nog zal worden versterkt, zegtVerkleij. Als post-doc in het Max Planck-instituut in Martinsriedbij München was de in Delft opgeleide natuurkundige tussen1994 en 1998 de drijvende kracht achter de ontwikkeling van deprogrammatuur die de 3D-elektronenmicroscopie mogelijk heeftgemaakt. Bij zijn aanstelling als KNAW-fellow bij de EMSA nam hijdie kennis mee naar Utrecht, waar hij de komende tijd in nauwesamenwerking met Philips nieuwe software gaat ontwikkelen voor de3D analyse.
Vetten
Verkleij beklemtoont dat de elektronenmicroscopen in hetKruijtgebouw ten dienste staan van alle Utrechtse onderzoekers. Alshoogleraar moleculaire celbiologie en directeur van deonderzoeksschool Biomembranen stimuleert hij het gebruik van zijnmicroscopen vooral voorde bestudering van processen in de cel. "Wijproberen er met name achter te komen op welke manier bepaaldeeiwitmoleculen in een cel hun functie vervullen. Stel dat we vaneen eiwit weten dat het vetten afbreekt. Dan willen we uiteraardgraag weten hoe zo'n eiwit dat precies doet en waar het werkt. Metonze nieuwe microscoop kunnen we nu voor het eerst zien waar dateiwitmolecuul zich precies in de cel bevindt en naar welk deel vande celwand het gaat als het wordt geactiveerd om binnendringendevetten af te breken." (Zie kader)
Verkleij is trots op de voortrekkersrol van zijn faculteit. "Deelektronenmicroscopie is hier volledig vanuit een biologischevraagstelling tot ontwikkeling gekomen." Maar inmiddels bestaat ookin andere Utrechtse vakgebieden grote belangstelling. Zo gaanUtrechtse scheikundigen met behulp van onder meer de Technai 20 dedoor hen geproduceerde katalysatoren onderzoeken om te ontdekkenhoe de moleculen van de werkzame metalen op de koolstofondergrondzijn verdeeld. Medici zijn weer geïnteresseerd in de vraagwaar precies in de cellen van de hartspier zich de natrium- encalciumatomen ophouden die een rol spelen bij het ontstaan van eenhartinfarct en aardwetenschappers hopen meer inzicht te krijgen inde structuur van het gesteente op plaatsen waar aardschollen langselkaar heen schuiven. Niet voor niets is inmiddels al besloten datde elektronenmicroscopen van het Nederlands Instituut voorToegepaste Geologie (NITG) bij de verhuizing van dat instituut naarDe Uithof, in het Kruijtgebouw komen te staan.
Verkleij is zichtbaar trots op zijn centrum, waarwetenschappers, technici en computerspecialisten de gebruikers vande zes aanwezige elektronenmicroscopen met raad en daad terzijdestaat. "Het gebruik van deze geavanceerde apparatuur vereist eenhoge graad van samenwerking. Gelukkig hebben zowel Bram als ik inons elftal lange tijd laatste man gespeeld. Dus met het teamworkzit het in ons centrum wel goed."
Voor meer informatie zie http://mcb.bio.uu.nl/3DEM/index.html
Erik Hardeman
Goudbolletjes
Een probleem in de driedimensionale elektronenmicroscopie is omhet specifieke eiwit waarnaar onderzoek wordt gedaan te herkennenop de afbeelding. Een in Utrecht ontwikkelde 'labelings'-methodebiedt uitkomst. Ultra-kleine goudbolletjes van tien tottwintiggoudatomen worden gebonden aan zogeheten antilichamen. Dit zijnmoleculen die in staat zijn om één bepaald eiwit teherkennen. Door de goudbolletjes aan de antilichamen te hechten endie combinaties vervolgens in het preparaat te brengen, wordt hetgoud naar het gezochte eiwit gebracht en daaraan vastgekoppeld.Omdat de goudbolletjes als gevolg van hun relatief hoge dichtheidop het microscoopbeeld als zwarte puntjes verschijnen, is vooronderzoekers nu in één oogopslag zichtbaar waar degezochte eiwitten zich in de cel bevinden. Al eerder werd voor dit'labelen' in de celbiologie gebruik gemaakt van relatief grotegoudbollen van 5 tot15 nanometer. Maar deze goudbollen konden doorhun omvang niet doordringen in de cel zelf waar de gezochteeiwitten zich bevinden.
De film stilzetten
Een complicatie bij het bekijken van biologische preparatenonder een elektronenmicroscoop is dat het leven doorgaat. Om eenbepaalde structuur in de cel te fixeren wordt sinds twintig jaareen techniek gebruikt waarbij preparaten in hoog tempo wordeningevroren. Dat invriezen gaat met een snelheid van twintigduizendgraden per seconde, vertelt Verkleij. "Wij gaan tot een temperatuurvan 196 graden onder nul en snijden onze preparaten dan in plakjesvan een tienduizendste millimeter. Als wij een biologisch procesbestuderen kunnen we de film zo dus als het ware stilzetten op hetmoment dat wij iets interessants zien gebeuren."