Meten aan één molecuul

Veni-winnares dr. Jante Salverda: 'Op termijn zijn er tal van praktische toepassingen denkbaar.'

'Ik wil één eiwitmolecuul tegelijk kunnen bekijken om meer te weten te komen over de werking van het eiwit.' Biofysicus dr. Jante Salverda, winnaar van een Veni-subsidie, gaat op molecuulniveau redoxeiwitten onder de loep nemen. Die eiwitten zijn in het menselijk lichaam betrokken bij essentiële levensfuncties zoals de ademhaling en de afbraak van schadelijke stoffen in de lever.

Redoxeiwitten
Kenmerkend voor redoxeiwitten is dat ze een elektrische lading kunnen opnemen of afstaan. 'Dat maakt ze onontbeerlijk voor de mens, want veel lichaamsprocessen vragen om chemische reacties waarbij moleculen van ladingstoestand kunnen veranderen,' legt Salverda uit. Binnen de grote groep van redoxeiwitten genieten vooral enzymen haar aandacht. Dat zijn eiwitten die reacties in het lichaam versnellen zonder zelf verbruikt te worden. Een voorbeeld is het enzym alcohol-dehydrogenase, een eiwit dat een rol speelt bij de afbraak van alcohol in de lever.

Innovatief
Salverda gaat redoxeiwitten op molecuulniveau inspecteren door twee bestaande meetmethoden te combineren: fluorescentiemicroscopie en elektrochemische technieken. Deze methoden zijn al eerder met succes gebruikt om redoxeiwitten te onderzoeken, maar kennen ieder hun eigen beperkingen die worden ondervangen

| Driedimensionale structuur van een redoxeiwit.

door ze te combineren. 'In de combinatie van de twee methoden schuilt de innovatieve kracht van mijn onderzoek', aldus Salverda.

Fluorescentiemicroscopie
Bij fluorescentiemicroscopie wordt een stof onder de microscoop gelegd (het preparaat) om vervolgens met licht bestraald te worden. 'Wanneer je een fluorescerende kleurstof aan het preparaat verbindt, gaat het preparaat zelf ook licht uitzenden. Door gebruik te maken van deze methode kun je bijvoorbeeld zien waar eiwitmoleculen in cellen zich bevinden en hoe ze bewegen', vertelt Salverda.

Cyclische voltammetrie
De biofysicus wil echter verder gaan dan enkel het bekijken van eiwitmoleculen in een stabiele elektrische toestand. Om ook te registreren hoe de moleculen van lading veranderen, maakt Salverda gebruik van cyclische voltammetrie. Dat is een elektrochemische techniek waarbij redoxeiwitten worden blootgesteld aan een spanningsverschil. Salverda: 'Door de grootte van het spanningsverschil te variëren, worden de eiwitmoleculen gedwongen om elektronen op te nemen of juist af te staan. De stroom van elektronen die daardoor ontstaat, kun je opvangen met een elektrode. Op die manier kun je de overgang van de ene naar de andere ladingstoestand van het eiwit meten. Daaruit kun je bijvoorbeeld afleiden of een bepaalde chemische reactie zich in één keer voltrekt, of in verschillende stappen.'

Combineren
Hoe combineert Salverda fluorescentiemicroscopie met cyclische voltammetrie? 'Ik maak gebruik van  een fluorescerende kleurstof die ik verbind aan de redoxeiwitten, zodat zij in de ene ladingstoestand wel fluoresceren, en in de andere niet. Met behulp van cyclische voltammetrie kan ik de ladingstoestand van een eiwitmolecuul veranderen; door dat molecuul onder een fluorescentiemicroscoop te houden kan ik in beeld krijgen hoe de elektronenoverdracht precies plaatsvindt en hoe snel de reacties verlopen die door de enzymen worden gereguleerd.'

Een redoxeiwit kan van ladingstoestand veranderen door een elektron op te nemen of af te staan. In de ene ladingstoestand zendt het eiwit wel licht uit als het beschenen wordt, in de andere niet. Een fluorescentiemicroscoop kan op die manier de overgang tussen de ladingstoestanden registreren.

Enzymwerking
Daar houden de mogelijkheden echter niet op. Salverda: 'Je zou vervolgens ook kunnen onderzoeken of je enzymatische reacties kunt versnellen of vertragen door de eiwitmoleculen bloot te stellen aan een spanningsverschil. Omdat ik één molecuul tegelijk bekijk, kan ik bovendien heel precies zien of de eiwitten van exemplaar tot exemplaar verschillen, of dat ze allemaal precies hetzelfde reageren op het spanningsverschil. Dit alles kan ons meer leren over de werking van redoxeiwitten in het menselijk lichaam, en de manier waarop enzymen stoffen omzetten in andere stoffen.'

Toepassingen
De innovatieve combinatie van technieken zou volgens Salverda praktische toepassingen kunnen vinden, onder meer in de medische wereld. 'Bij diabetespatiënten wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van een sensor die het glucosepeil van de patiënt meet met behulp van het enzym glucose-oxidase. Nu worden in dergelijke sensoren uitsluitend elektrochemische technieken toegepast. Door deze technieken te combineren met fluorescentie-detectie zou de gevoeligheid van dergelijke sensoren vergroot kunnen worden. Patiënten zouden hun glucosepeil daardoor beter kunnen reguleren.' Verder zou de meetmethode van Salverda haar nut kunnen bewijzen bij het registreren van schadelijke stoffen in het milieu. 'Op termijn zijn er dus tal van praktische toepassingen denkbaar', stelt de Veni-winnares.

(29 mei 2007/Tristan Lavender)