Röntgendiffractie is de techniek om structuren van grote eiwitten op te lossen. Om de structuur af te leiden uit de spectra is een bak wiskunde nodig. De in Leiden werkzame jonge onderzoeker Raj Pannu is een autoriteit op dat gebied.

Raj Pannu staat 38e op de lijst van meest geciteerde chemici over de periode januari 1995 tot en met augustus 2005. Zijn afstudeerwerk is inmiddels bijna 7.300 keer aangehaald. Hij komt daarmee volgens het International Statistical Institute op het onwaarschijnlijke gemiddelde van 800 citaties per artikel, en hij is pas 32.

Pannu is van huis uit toegepast wiskundige. Sinds zijn studie in Canada werkt hij aan de wiskundige methoden die nodig zijn om de structuur van eiwitten af te leiden uit de manier waarop deze röntgenstralen verstrooien. Vanwege zijn wiskundige talenten is Pannu in staat alle data te gebruiken die het röntgenapparaat uitspuwt. Daardoor kan hij corrigeren voor stralingsschade die het kristal tijdens de meting oploopt en kan zijn programma zelfs uit data met veel ruis de correcte eiwitstructuur voorspellen.

Pannu heeft vorig jaar een VIDI-beurs van NWO gewonnen. Met de toegewezen zes ton kan hij vijf jaar vooruit om samen met een promovendus, een postdoc en een informaticus een nieuw softwarepakket voor structuuropheldering te ontwikkelen. Een testversie is inmiddels al door meer dan tweehonderd groepen gedownload.

 

Wat is de crux van de door jouw ontwikkelde methode om eitwitstructuren op helderen?

“Het idee is structuuropheldering makkelijker te maken, zelfs met minder goede meetgegevens. Daarbij proberen we zo veel mogelijk van de gegevens te gebruiken in een multivariate aanpak. Als een eiwit een zwaar atoom bevat, bijvoorbeeld zwavel, dan verbreekt dit de symmetrie van het verstrooiingspatroon. Dat verschil kun je gebruiken. Standaardpakketten vegen vaak alle gegevens op een grote hoop.”

 

Waarom hebben mensen dit niet eerder gedaan?

“De wiskunde is tamelijk complex. Een deel van de benodigde wiskunde is nog niet ontwikkeld. Dat maakt het voor een niet-wiskundige erg lastig om aan te werken. Om de vergelijkingen op te lossen, moet je bijvoorbeeld integreren over alle fase-variabelen omdat die onbekend zijn. Het vinden van een stabiel numeriek algoritme om dat te doen is niet triviaal. Daarbij komen we op terreinen van de wiskunde waar geen theorema’s meer zijn. Dan wordt het spannend.”

 

Hoe ben je vanuit toegepaste wiskunde bij structuurbiologie terechtgekomen?

“Op de universiteit kwam ik een kristallograaf tegen die aan methode-ontwikkeling deed en daar softwareprogramma’s voor schreef. Ik was altijd meer geïnteresseerd in de toepassingen van wiskunde dan in wiskunde op zich. Biologie en biochemie hadden ook altijd al mijn belangstelling, ik heb de vooropleiding voor arts gedaan. Ik was jong genoeg om niet koppig te zijn en me in één gebied vast te bijten. Een brede opleiding is belangrijk om goed werk te kunnen doen. Ik merk soms dat mensen er een hekel hebben om zich te verdiepen in onderwerpen buiten hun vakgebied.”

 

Wat is de volgende stap?

“Wij zijn nu bezig om de methode geschikt te maken om structuren te kunnen ophelderen met elektronenmicroscopie (EM). Veel collega’s uit het veld zijn erg dogmatisch in hun keuze voor een techniek. Ik geloof echt dat alleen een combinatie van verschillende technieken als kristallografie, NMR en EM je verder kan helpen.”

 

Ooit overwogen om je software commercieel op de markt te brengen?

“Ja, maar aangezien ik relatief jong ben, wil ik eerst dat mensen mijn programma’s gebruiken. Ik heb hier een aanstelling als wetenschapper, als ik de software zou verkopen, dan zou er erg veel tijd gaan zitten in support en dergelijke. Het zou wel een extra bron van inkomsten zijn voor mijn onderzoek, de farmaceutische industrie heeft zeker interesse. De bedragen kunnen aanzienlijk zijn, tot wel 25.000 euro per jaar per gebruiker.”

 

Is je methode ook toepasbaar voor NMR?

“Ik ben niet zo goed op de hoogte van de ins en outs van NMR, maar ik zou zeggen van wel. Om dat te ontwikkelen, zou ik wel nauw met een NMR-expert moeten samenwerken. Dat is het mooie van het EM-project. Naast Jan-Pieter Abrahams, die veel weet van EM, komt dit jaar Marin van Heel uit London naar Leiden. Hij is een van de toppers en krijgt de leerstoel Van Arkel.”

 

Lijken niet alle eiwitstructuren ontzettend veel op elkaar? Ze zien er altijd uit als een harige tennisbal.

“Dat is een van de sterke punten van kristallografie. Je kunt precies kunt zien welk atoom waar zit en hoe specifiek de interacties zijn. Als je de atomaire details kent, kun je precies aangeven wat er verandert als een enzym actief is en waarom. Dan begrijp je waarom eiwitten die er op het eerste gezicht identiek uitzien toch heel andere eigenschappen hebben.”

 

In hoeverre is de structuur van een eiwit in een kristal gerelateerd aan die van het eiwit in oplossing?

“Het reactiecentrum van een enzym lijkt vrij statisch te zijn. Ketens aan de buitenkant van het eiwit zullen wel meer bewegen. Maar zelfs als kristal bestaat een eiwit voor vijftig procent uit oplosmiddel, zo’n groot deel van het eiwit is tamelijk vrij in oplossing. De structuren die met NMR worden gevonden, komen ook overeen met de gevonden kristalstructuren. Het is wel een reële zorg.”

 

Waarom werk je in Nederland?

“Nederland heeft een paar heel goede groepen op het gebied van eiwitkristallografie. Maar ik ben naar Leiden gekomen op uitnodiging van Jan-Pieter, die ik kende van mijn promotie in Cambridge. “Als het je niet bevalt, kun je altijd weg na een jaar”, zei hij. Dat was vier jaar geleden. Het bevalt me heel goed hier. De stad Leiden is leuk. In Nederland hebben we waarschijnlijk een van de beste onderzoeksgemeenschappen van Europa op mijn gebied.”

 

Ooit overwogen om ab initio eiwitstructuren te voorspellen met de computer?

“Dat is een heel erg lastig probleem. Sinds de jaren tachtig zijn mensen daarmee bezig. Ik weet niet of dat ooit mogelijk zal zijn voor grote eiwitten. Op het moment worden er ook zoveel structuren opgehelderd dat er eigenlijk nog maar weinig vouwingen zijn waar we niks van weten. Met similariteitsanalyses heb je veel sneller resultaat als je onbekende structuren wilt oplossen. Met de opgebouwde kennis die we nu hebben, moeten we in de toekomst proberen te begrijpen hoe alle verschillende krachten aanleiding geven tot alle mogelijke eiwitconfiguraties.”

 

Heb je wetenschappelijke helden?

“Natuurlijk Herbert Hauptman en Jerome Karle. Zij kregen in 1985 de Nobelprijs voor de directe methode om kristalstructuren van kleine moleculen op te lossen. Zij waren wiskundigen. Voor Aaron Klug (Nobelprijs 1982) heb ik een enorm respect. Veel van wat ik nu doe is gerelateerd aan werk dat hij al in de jaren zestig publiceerde. Zijn praktische werk aan virusstructuren met de elektronenmicroscoop is zo indrukwekkend. Hij heeft zoveel gedaan en is nog steeds actief op zijn tachtigste!”

 

Had Jan-Pieter een Nobelprijs moeten krijgen? Hij was de eerste auteur op het artikel waarmee John Walker de Nobelprijs kreeg.

“Dat klopt, maar Walker werkte al dertig jaar aan de opheldering van ATP-synthase. Het is heel moeilijk te zeggen. Jan-Pieter wil graag als eerste zien wat nog niemand gezien heeft. Hij was de eerste die de structuur van ATP-synthase zag en ik denk dat hij daar tevreden mee is. Ik weet dat hij heel veel respect krijgt bij kristallografen wereldwijd, dus dat maakt niet veel uit. Hij kan trots zijn op wat hij gedaan heeft. Wetenschappelijke erkenning is een vreemd iets, zolang je maar gelukkig bent met wat je doet. Er zullen altijd mensen zijn die kritiek op je hebben en mensen die je steunen. Probeer je niet al te veel aan te trekken van wat andere mensen zeggen zou mijn advies zijn.”

 

FEITELIJK

 

Top vijf van meest geciteerde chemici over de periode januari 1995 tot en met augustus 2005.

 

Positie		Aantal artikelen	Citaties
1	Whitesides. G.M.	275	14.665
2	Grubbs, R.H.	171	13.913
3	Stoddart, J.F.	303	12.391
4	Kobayashi, S.	698	12.009
5	Wang, J.	1.167	11.596