Om de structuur van chirale biomoleculen optimaal in kaart te brengen moet je een beetje kobaltchloride in de oplossing doen. Dat versterkt je spectroscopische signaal met een factor honderd, stellen onderzoekers van het Van ’t Hoff-instituut van de UvA in JACS.

Uitindelijk hopen ze met deze ‘toverdrank’ het functioneren van metaalhoudende enzymen te kunnen volgen in een natuurlijke omgeving, en er zo een veel beter beeld van te krijgen dan met NMR of röntgenkristallografie mogelijk is.

Het gaat hierbij om structuurbepaling op basis van ‘vibrational circular dichroism’ (VCD). Hierbij bestook je een monster met bundels infraroodlicht die circulair zijn gepolariseerd, in verschillende richtingen. Zodra er asymmetrie in een molecuulstructuur zit, zal de ene variant sterker worden geabsorbeerd dan de andere. Je kunt zo bijvoorbeeld links- en rechtsdraaiende aminozuren van elkaar onderscheiden, en ook grotere delen van een eiwitstructuur in kaart brengen.

Nadeel is dat het verschil tussen beide absorptie-intensiteiten, en dus het uiteindelijke signaal, maar heel zwak is. Zeker als je met sterk verdunde monsters werkt, wat in de life sciences eerder regel is dan uitzondering.

In Amsterdam hebben ze nu bedacht hoe je dit signaal kunt versterken. Het idee is om overgangsmetaalionen toe te voegen die heel weinig energie nodig hebben om in een elektronisch aangeslagen toestand te raken, en die ook nog gemakkelijk worden gecomplexeerd door bepaalde aminozuren. Door die lage excitatieenergie is de beweging van de elektronen gekoppeld aan die van de atomen. Als de atomen dus gaan trillen door de absorptie van IR-licht, gaat de elektronenwolk van de ionen als het ware meetrillen.”

Samen met Bas de Bruin van de groep Homogene en Supramoleculaire Katalyse hebben Sander Woutersen, Wybren Jan Buma en promovendus Sérgio Domingos van de groep Moleculaire Fotonica nu laten zien dat het nog beter werkt dan verwacht.

Om te beginnen probeerde Domingos het uit met losse moleculen van de aminozuren proline, valine en alanine. Als ion nam hij Co²⁺, dat het beste aan alle voorwaarden lijkt te voldoen. Inderdaad bleken de VCD-spectra er ruim honderdmaal door te kunnen worden versterkt.

Met oligopeptides van twee of drie van deze aminozuren lukte het ook. En daarbij begon je al een beetje te zien dat bepaalde vibraties veel meer worden versterkt dan andere. Daaruit kun je afleiden welke delen van de aminozuren rechtstreeks interactie met het kobaltion vertonen, en welke er wat verder van af zitten. Wat weer inzicht geeft in de structuur van zo’n metaal-peptidecomplex.

Dat laatste is dan weer de opmaat voor het soort onderzoek waar de Amsterdammers uiteindelijk heen willen, namelijk bepaling van de structuur van de actieve plek van metaalhoudende enzymen. Als daar al kobalt in zit als metaal is het simpel, maar het is wellicht ook mogelijk om in een zinkhoudend enzym het zink door kobalt te vervangen zonder dat er veel aan de structuur verandert.

bron: UvA, JACS (met dank aan Wybren Jan Buma en Sander Woutersen)