Utrechtse massaspectrometrie verfijnt 'weegschaal' voor eiwitmoleculen

Utrechtse massaspectrometrie verfijnt 'weegschaal' vooreiwitmoleculen

Per jaar worden in Nederland ongeveer tien kinderen geboren metsikkelcelziekte. Bij die kinderen zorgt een afwijking in het DNAvoor een verandering in het hemoglobine, het eiwit datverantwoordelijk is voor het transport van zuurstof door het bloed.Hemoglobine is een langgerekt eiwit dat bestaat uit zeshonderdaminozuren, zeg maar zeshonderd legoblokjes, achter elkaar. Ingezond hemoglobine zit ergens halverwege een blokje valine datervoor zorgt dat de zuurstof vervoerd wordt. Bij mensen metsikkelcelziekte zit op de plaats van het valine echter een blokjeglutomaat, dat het zuurstoftransport belemmert met als gevolg eenziektebeeld dat kan variëren van chronische bloedarmoede toternstige invaliditeit.

Heck, hoogleraar in de biomoleculaire massaspectrometrie en met34 jaar één van Utrechts jongste hoogleraren: "Wie wilweten of mensen met bloedarmoede lijden aan de sikkelcelziekte moetdus vaststellen of er glutomaat of valine in het hemoglobine zit.Tot voor kort was de analyse van zo'n groot molecuul onmogelijk,maar sinds een paar jaar kunnen we in de spectrometer het verschilin massa tussen gezond en ziek hemoglobine meten. Dat verschilbedraagt 38 dalton, ofwel 38 maal het gewicht van éénwaterstofmolecuul. Als u bedenkt dat een miljoen waterstofmoleculen3 x 10-15 gram wegen, dan begrijpt u met wat voor onvoorstelbareprecisie wij hier massa's kunnen bepalen."

De massaspectrometrie ontstond bijna honderd jaar geleden alstechniek om de samenstelling van stoffen in gasvorm te bepalen.

Moleculen worden daarbij in de massaspectrometer door eenmagnetisch en/of een elektrisch veld geleid. Als gevolg van dekracht die daardoor op ze wordt uitgeoefend, gaan ze gedragvertonen dat naar aard en richting sterk samenhangt met hun massa.Door dat gedrag te meten, kan de massa van het molecuul tot opduizendsten van daltons worden vastgesteld. Een massaspectrometeris dus te beschouwen als het moleculaire equivalent van eenweegschaal en meting van de massa is dan ook een perfecteidentificatiemethode.

Haarföhn

Tot in de jaren tachtig bleef de massaspectrometrie het terreinvan fysici en scheikundigen, maar toen het mogelijk werd om steedsgrotere moleculen te onderzoeken, raakten ook biologengeïnteresseerd, vertelt Heck. "Tot voor een jaar of tien washet onmogelijk om grote moleculen zoals eiwitten heelhuids in degasfase te krijgen. Je kunt ze namelijk niet verwarmen zonder datze kapot gaan. Tien jaar geleden is een methode ontwikkeld waarbijde eiwitten worden opgelost in water. Door van die vloeistof eenfijne spray te maken en de druppeltjes vervolgens met een soorthaarföhn te laten verdampen, houden we de eiwitten over. Diezitten dan dus opeens wel in de gasfase. Die techniek hebben wehier in Utrecht zo verfijnd dat wij nu complexen van eiwitmoleculenkunnen analyseren met een massa van meer dan een miljoen dalton. Ikdenk dat wij op dit moment één van de weinigen ter wereldzijn die zulke grote combinaties aankunnen."

Voor het Utrechtse onderzoek worden de eiwitmoleculen veelaleerst in kleinere delen gebroken. Nadat ze een lading hebbenmeegekregen, wordt van elk brokstuk de massa bepaald.

Massaspectrometrische analyse van een onbekend eiwit levert zoals het ware een vingerafdruk van elk brokstuk maar daarmee ook vanhet hele eiwit. Maar net als de politie zouden onderzoekers weinigaan zo'n vingerafdruk hebben zonder databank met de vingerafdrukkenvan wél bekende eiwitten. Daarom wordt nu koortsachtig gewerktaan zo'n databank, waarin alle ruim honderdduizend eiwitten die ineen menselijke cel kunnen voorkomen (het humane proteoom) moetenworden opgenomen (zie kader).

Met behulp van die database kunnen straks dus alle eiwitten ineen cel worden geïdentificeerd. Maar nog interessanter isvolgens Heck de mogelijkheid om te bepalen welke eiwittenverantwoordelijk zijn voor het feit dat een cel ziek wordt. "Alseen cel wordt belaagd door een ziektekiem gaat hij vaak nieuweeiwitten aanmaken en geeft hij bestaande eiwitten een nieuwe vorm.Om goede geneesmiddelen te ontwerpen is het dus van groot belang omte weten hoe eiwitten zich in een zieke cel precies gedragen.Vandaar dat een van de holy grails in het bio-medisch onderzoek opdit moment de vergelijking van de eiwitten in zieke en gezondecellen is."

Superanalisten

Net als de elektronenmicroscopie, de kristalografie en demagnetische resonantie (NMR) is de massaspectrometrie dus eenonmisbaar hulpmiddel om eiwitstructurenop te helderen. Niet voorniets heeft Heck onlangs ruim een miljoen gulden ontvangen van detoponderzoekschool Centre of Biomedical Genetics (CBG) voor deverdere uitbouw van zijn groep. Maar de vorig jaar benoemdehoogleraar die een aanstelling heeft in zowel de faculteitScheikunde als de faculteit Farmacie, waarschuwt ervoor om hem enzijn medewerkers te beschouwen als een soort superanalisten.

,"Wij doen veel onderzoek naar mogelijkheden om onze bepalingenverder te verfijnen. Een van onze belangrijkste pluspunten is datwe nog maar minieme hoeveelheden van een stof nodig hebben. Wijzijn nu bijna zover dat we ons materiaal direct uit ééncel kunnen nemen. Natuurlijk is het zo dat kristalografie enNMR-spectroscopie informatie geven op een veel gedetailleerderniveau dan wij ooit kunnen. Wij meten alleen maar massa's, terwijleen kristalstructuur en een NMR-opname precies laat zien hoe eenmolecuul in elkaar zit. Maar een groot nadeel van die technieken isdat je relatief grote hoeveelheden eiwit nodig hebt. Je moet datdus in het laboratorium maken en daardoor mis je de informatie dieje krijgt als je het eiwit direct uit de cel haalt, zoals wij doen.Wij hebben met onze aanpak een veel betere biologische link met water in de cel gebeurt. Vandaar dat deze methode zo in opkomst is,zeker nu we sneller kunnen werken en steeds grotere moleculenaankunnen."

Een nieuw onderzoeksterrein in de massaspectrometrie is hetterrein van de moleculaire herkenning. "Veel geneesmiddelen werkendoordat zij een bepaald deel van een eiwit 'herkennen' en zichdaaraan hechten. Zo verhinderen zij de schadelijke werking van dateiwit, waarbij geldt: hoe sterker de binding, des te beter dewerking. In ons onderzoek proberen we methoden te ontwikkelen om demate van binding zichtbaar te maken, zodat duidelijk wordt inhoeverre een bepaalde stof als geneesmiddel zou kunnen fungeren.Onder meer voor de ontwikkeling van antibiotica die bacteriënselectief kunnen herkennen is dit een zeer belangrijkonderzoeksterrein, waarvan we hopen dat het ons kan voorzien van dehoogst noodzakelijke nieuwe wapens in de strijd tegen hettoenemende aantal resistente bacteriën in de wereld."

Voorlopig is er dus genoeg toekomst voor het vak van Heck, datblijkens zijn woensdag uitgesproken oratie zelfs voor historischonderzoek kan worden gebruikt. "De Nederlandse NobelprijswinnaarPieter Zeeman had een keer een fles met lucht uit een Egyptischegrafkelder gekregen die volgens de eigenaars geneeskrachtigeeigenschappen bezat. Zij vroegen hem om de lucht te analyseren.Zeeman vergeleek daartoe de samenstelling van lucht uit de omgevingvan zijn Amsterdamse laboratorium met die van de Egyptische lucht,maar helaas voor de Engelsen ontdekte hij geen verschil. Als deEgyptische lucht dus geneeskrachtig was, moest dat net zo goed voorAmsterdamse luchtgelden. Jammer dat Zeeman geen gehaaide ondernemerwas. Anders had hij met een handeltje in geneeskrachtigeAmsterdamse lucht nog aardig kunnen verdienen."

Erik Hardeman

Proteomics

Het menselijk DNA bevat de codes waarmee alle in de mensvoorkomende eiwitten kunnen worden gemaakt. Omdat het DNA van demens naar verwachting eind 2001 volledig in kaart zal zijngebracht, beschikken we dan dus als het ware over de catalogus vanalle ruim honderdduizend eiwitten die in een menselijke cel kunnenvoorkomen. "Maar", zegt Heck, "wij willen niet zozeer weten wat erin de catalogus staat. Wij zijn meer geïnteresseerd in devraag welke exemplaren uit die catalogus veel worden verkocht. Inelke cel komen een paar duizend eiwitten voor waarvan we nog maarweinig weten. Bovendien gaan eiwitten in cellen soms chemischeprocessen met elkaar aan die niet door het DNA worden gereguleerd.Ook al ken je dus het volledige DNA, dan weet je nog niet welkeeiwitten precies in een cel voorkomen."

Na de inventarisatie van het menselijk genoom (het DNA) hebbenonderzoekers zich daarom nu in groten getale gestort op deinventarisatie van het zogeheten proteoom (de proteïnen ofeiwitten in onze cellen). In Utrecht is dit vakgebied inmiddels eenspeerpunt van onderzoek geworden en parallel met de aanstelling vanHeck werd daarom deze zomer de Australische specialist IanHumphery-Smith in Utrecht benoemd tot hoogleraar 'pharmaceuticalproteomics'.