Voor het eerst kun je het ontstaan van eiwitkristallen op moleculaire schaal volgen. En zo bijvoorbeeld ontdekken hoe je het proces moet bijsturen om een bepaalde kristalvorm te kweken, schrijven onderzoekers uit Eindhoven, Brussel en Grenoble in Nature.

Dat kristallisatieproces start met een klein aantal eiwitmoleculen die vanuit de oplossing spontaan een kiem vormen. Hoe dat precies werkt, was tot nu toe onduidelijk. En ook niet waarom sommige eiwitten last hebben van ‘polymorfisme’: er kunnen verschillende kristalvormen ontstaan, die met name qua oplosbaarheid nogal verschillen. Voor geneeskundige of industriële toepassingen is dat niet handig.

Met cryo-transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-TEM, Nobelprijs 2017) blijk je die kiemen nu voor het eerst gedetailleerd genoeg in beeld te kunnen krijgen om iets te zeggen over het vormingsproces. Waarbij dat ‘cryo’ wil zeggen dat je kiemende oplossingen heel snel bevriest, en de bevroren monsters onder de elektronenmicroscoop legt. Dat herhaal je met een aantal identieke monsters, telkens op een ander moment tijdens het kristallisatietraject.

Mike Sleutel (Vrije Universiteit Brussel), Heiner Friedrich en Nico Sommerdijk (TU Eindhoven) en Alexander Van Driessche (Université Rhône-Alpes, Grenoble) hebben dit uitgeprobeerd met glucose-isomerase, een enzym waarvan twee kristalvormen en een amorfe gel-achtige structuur bekend zijn. De 3D-structuur van het losse eiwit is al eerder opgehelderd; het ziet er ongeveer uit als een vierkant, opgebouwd uit vier losse bolletjes. De microscoopbeelden zijn nét scherp genoeg om die grondvorm te kunnen herkennen.

Je kunt dus ook zien hoe die grondvormen zich stapelen tot de kiemen voor een kristal. Eerst vormen zich staafvormige ketens van eiwitmoleculen, zie de afbeelding. Die gaan vervolgens naast elkaar liggen en vormen zo iets dikkere vezels waaruit weer nanokristallen kunnen groeien. Zo krijg je één van beide polymorfen; de andere lijkt direct uit de oplossing te ontstaan zonder vezels als tussenstadium.

Dat kristallisatieproces breng je normaal gesproken op gang door de oplosbaarheid van de eiwitmoleculen in water kunstmatig te verlagen. Dat zogeheten ‘uitzouten’ is een kwestie van ammoniumsulfaat of polyethyleenglycol (PEG) toevoegen. Welke van de twee je gebruikt, en in welke concentratie, blijkt bepalend voor de polymorf die je krijgt. Een beetje ammoniumsulfaat of PEG geeft langzame maar rechtstreekse kristalgroei, iets meer PEG of véél ammoniumsulfaat geeft staafjes en vezels, en met heel veel PEG klonteren de eiwitten te snel om netjes te kristalliseren en krijg je de amorfe gel.

Hoe dat kan, is allereerst een kwestie van goed naar de cryoTEM-plaatjes kijken. Daaraan kun je zien welke hoeken van de eiwitmoleculen tegen elkaar gaan liggen. Uit de reeds bekende 3D-structuur kun je afleiden welke aminozuurbouwstenen betrokken moeten zijn bij die onderlinge binding. Wat het effect van ammoniumsulfaat of PEG op die afzonderlijke aminozuren is, is een kwestie van fysische chemie en thermodynamica.

En de laatste stap in de redenering is dat je het ontstaan van de minder gewenste polymorf in principe moet kunnen verhinderen door een paar aminozuren te vervangen. Het wachten is nu op iemand die dit daadwerkelijk uitprobeert.

bron: TU/e, VIB