2 oktober 2009, 2009/37
Eiwit nanomachines laten voor het eerst in detail hun voetstapjes zien
Onderzoekers van de Vrije Universiteit te Amsterdam en de Stichting
FOM hebben het stapmechanisme ontrafeld van het eiwit kinesine dat
essentieel is voor transport binnen onze cellen. Door gebruik te maken
van een unieke experimentele methode konden ze volgen hoe de afstand
tussen de twee 'voetjes' van dit eiwit verandert gedurende zijn
stapsgewijze voortbeweging. De onderzoekers begrijpen hierdoor beter
hoe eiwit-nanomachines chemische energie kunnen omzetten in
mechanische arbeid. Deze week is hun artikel over de resultaten
verschenen in de Online Early Edition van de Proceedings of the
National Academy of Sciences (PNAS).
Figuur 1. Schematische weergave van de experimentele aanpak
vergroten Figuur 1. Schematische weergave van de experimentele aanpak
Kinesine motoren, met daaraan twee verschillende kleurstofjes lopen
over een microtubulus eiwitbuis. De kinesines worden locaal met groen
licht bestraald en het licht wat ze uitzenden wordt nauwkeurig
gemeten. Onder in de figuur zijn een viertal karakteristieke signalen
(licht als functie van de tijd) van individuele kinesines die door het
licht lopen weergegeven.
Figuur 2. Model van het stapmechanisme van het motoreiwit kinesine
vergroten Figuur 2. Model van het stapmechanisme van het motoreiwit
kinesine
Gedurende één stap van 8 nanometers (8 keer één miljardste meter) gaat
kinesine door drie fases, van een toestand waar beide voetjes vast
zitten aan de microtubulus (links), via een toestand waarin de motor
wacht op het binden van ATP, de brandstof en één van de voetjes los is
en kan bewegen (boven), naar een pauzetoestand waar het losse voetje
een specifieke locatie heeft en weer terug naar het begin. Eén hele
cyclus duurt ongeveer een honderdste seconde.
Stapmechanisme motoreiwit kinesine
Eén van de karakteristieke kenmerken van leven is beweging. Dit is
zowel de voortbeweging van ons hele lichaam, als bewegingsprocessen op
een veel kleinere schaal, binnen onze cellen. Onze cellen zitten
namelijk vol met kleine motoreiwitten die celonderdelen, zoals
chromosomen of bouwstoffen transporteren van de ene kant van de cel
naar de andere. De brandstof voor het transport wordt geleverd door
ATP(adenosinetrifosfaat)-moleculen die de motoreiwitten chemisch
omzetten. Eén van deze motoreiwitten is kinesine, een lange
afstandstransporteur die bijvoorbeeld zorg draagt voor transport naar
de uitlopers van zenuwcellen (die wel een meter lang kunnen zijn).
Kinesine bestaat uit een dunne 'steel', waar aan de ene kant de
transportlading aan vastzit en aan de andere kant twee identieke
mechanisch actieve onderdelen, die functioneren als voeten (maar dan
honderd miljoen keer kleiner). Kinesine kan, de ene voet voor de
andere zettend, wandelen over microtubuli. De microtubuli zijn
eiwitbuizen die niet alleen het skelet van de cel vormen maar ook een
soort snelwegstelsel voor transport binnen de cel.
Hoe het stapproces van kinesine precies in zijn werk gaat hebben de
Amsterdamse onderzoekers nu voor het eerst kunnen ontrafelen door de
verandering van de afstand tussen de twee voeten van een enkele
kinesine motor gedurende een wandeling te meten met geavanceerde
fluorescentie microscopie methoden. Hiertoe hebben ze twee
verschillende gekleurde kleurstofjes gebonden aan een specifieke
locatie, elk op één van beide voeten. Afhankelijk van de afstand
tussen deze twee kleurstoffen, kunnen ze wisselwerken en verschillende
kleuren gaan uitstralen. Met deze techniek, zogenaamde Förster energie
overdracht, konden de onderzoekers veranderingen in afstand tussen de
twee voeten meten met een voorheen ongeëvenaarde snelheid en
nauwkeurigheid.
Nieuw inzicht
Het onderzoeksteam uit Amsterdam heeft ontdekt dat een stap van
kinesine niet uit één vloeiende beweging bestaat, maar dat er
halverwege een korte pauze is, ongeveer wanneer de ene voet de andere
passeert. Er bleek bovendien in geval van brandstofgebrek een extra
pauze te zijn, waarin het kinesine op één voet staand als het ware
wacht op de binding van een nieuw brandstofmolecuul. Deze bevindingen
stellen de onderzoekers in staat beter te begrijpen hoe kinesine
precies werkt en hoe in levende cellen chemische energie gebruikt
wordt om actief transport teweeg te brengen. De werking van kinesine
staat namelijk model voor die van vele motoreiwitten, die een
essentiële rol spelen in ons lichaam in uiteenlopende processen als
spier-, darm-, nierwerking en celdeling.
Het onderzoek is gefinancierd door de Stichting voor Fundamenteel
Onderzoek der Materie (FOM) en de Nederlandse Organisatie voor
Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).
Voor de redactie
Bijschriften
Figuur 1. Schematische weergave van de experimentele aanpak
Kinesine motoren, met daaraan twee verschillende kleurstofjes lopen
over een microtubulus eiwitbuis. De kinesines worden locaal met groen
licht bestraald en het licht wat ze uitzenden wordt nauwkeurig
gemeten. Onder in de figuur zijn een viertal karakteristieke signalen
(licht als functie van de tijd) van individuele kinesines die door het
licht lopen weergegeven.
Figuur 2. Model van het stapmechanisme van het motoreiwit kinesine
Gedurende één stap van 8 nanometers (8 keer één miljardste meter) gaat
kinesine door drie fases, van een toestand waar beide voetjes vast
zitten aan de microtubulus (links), via een toestand waarin de motor
wacht op het binden van ATP, de brandstof en één van de voetjes los is
en kan bewegen (boven), naar een pauzetoestand waar het losse voetje
een specifieke locatie heeft en weer terug naar het begin. Eén hele
cyclus duurt ongeveer een honderdste seconde.
Referentie
'Kinesin's step dissected with single-motor FRET', Sander Verbrugge,
Zdenek Lansky en Erwin Peterman.
www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0905177106
Sander Verbrugge is FOM-promovendus en verwacht op 9 oktober a.s. te
promoveren aan de Vrije Universiteit Amsterdam.
Contact
Dr.ir. E. (Erwin) Peterman, Laser Centre and Department of Physics and
Astronomy, Vrije Universiteit, telefoon (020) 598 75 76.
Voor meer informatie over het onderzoek kunt u kijken op
http://www.nat.vu.nl/~erwinp.
Meer informatie
Contactperso(o)n(en): Melissa Vianen