Wetenschappers identificeren volledige menselijke eiwitten met nieuwe techniek
In een studie gepubliceerd in Nature Nanotechnology presenteren wetenschappers van de TU Delft een nieuwe techniek om eiwitten te herkennen. Eiwitten vervullen essentiële functies in onze cellen en spelen een cruciale rol bij ziekten zoals kanker en COVID-19-infectie. De onderzoekers identificeren eiwitten door de vingerafdruk uit te lezen, om deze vervolgens te vergelijken met patronen in een databank. Met deze technologie kunnen onderzoekers volledige eiwitten identificeren terwijl ze intact blijven, zodat de informatie bewaard blijft. De ontwikkeling helpt om de mechanismen achter verschillende ziekten bloot te leggen, en maakt het mogelijk om eerder diagnoses te stellen.
Incompleet IKEA-project
“Het bestuderen van eiwitten in cellen is al tientallen jaren een veelbesproken onderwerp en heeft enorme vooruitgang geboekt. Onderzoekers hebben een veel beter idee gekregen van welke soorten eiwitten er zijn en welke functie zij vervullen”, zegt Mike Filius, eerste auteur van het artikel. Op dit moment gebruiken wetenschappers vaak een techniek die massaspectrometrie heet om eiwitten te identificeren. De meest gebruikte methode van massaspectrometrie is de 'bottom-up' methode, waarbij volledige eiwitten in kleinere fragmenten worden geknipt, peptiden genaamd, die vervolgens door de massaspectrometer worden gemeten. Op basis van de gegevens van deze kleine fragmenten reconstrueert een computer het eiwit. Filius: "Dit is een beetje te vergelijken met een typisch IKEA-project, waarbij je altijd een aantal extra onderdelen overhoudt waarvan je niet zeker weet hoe ze erin passen. Maar in het geval van eiwitten kunnen deze onderdelen juist heel waardevolle informatie bevatten, bijvoorbeeld of het eiwit al dan niet een schadelijke structuur heeft die een ziekte veroorzaakt."
De vingerafdruk van eiwitten
“Om een eiwit te identificeren hoef je niet alle aminozuren – de bouwstenen van elk eiwit – te kennen. In plaats daarvan probeer je voldoende informatie te verkrijgen zodat je het eiwit kunt identificeren met behulp van een databank als referentie, net zoals de politie de identiteit van een verdachte kan achterhalen aan de hand van een vingerafdruk”, legt Filius uit. “In eerdere publicaties hebben we laten zien dat elk eiwit een unieke vingerafdruk heeft, net als de menselijke variant. We realiseerden ons dat we slechts een klein aantal van alle aminozuren van een eiwit hoeven te kennen, waarna we het kunnen vergelijken met alle tot nu toe bekende eiwitten”, voegt Raman van Wee, promovendus die betrokken was bij het onderzoek, toe.
Eiwitten in een hooiberg
“We kunnen deze aminozuren detecteren met moleculen die lichtgeven onder een microscoop, bevestigd aan kleine stukjes DNA die heel specifiek binden aan bepaalde aminozuren”, legt Van Wee uit. Op deze manier kan het team heel snel en met grote precisie een deel van de aminozuren identificeren om de structuur van het eiwit te bepalen. “Omdat de gevoeligheid van deze nieuwe techniek, genaamd FRET X, hoger is dan die van gangbare methoden zoals massaspectrometrie, kunnen we veel lagere concentraties eiwitten detecteren in een mengsel van andere biomoleculen”, zegt Filius. Dat is belangrijk omdat dit ook geldt voor normale cellen, en dus in een patiëntmonster in geval van ziekte. “In ons artikel laten we zien dat we kleine hoeveelheden eiwitten kunnen detecteren die kenmerkend zijn voor de ziekte van Parkinson en COVID-19 infectie”, gaat Filius verder. “Hoewel er andere methoden worden onderzocht om eiwitten te identificeren, is onze techniek de enige die complete en individuele eiwitten kan identificeren in een mengsel van vele andere moleculen. We kunnen zoeken naar een naald in een hooiberg”, voegt Van Wee toe.
Eerdere diagnose van ziekten
Hoewel het onderzoek veelbelovend is, moet het Chirlmin Joo Lab de techniek nog verder ontwikkelen voordat toepassing op grotere schaal mogelijk is. De onderzoeksgroep heeft met verschillende belanghebbenden in klinische laboratoria en de biofarmaceutische industrie gesproken. De groep merkte dat zij enthousiast zijn over de baanbrekende potentie die deze techniek heeft. De onderzoekers werken ook aan een start-up om van FRET X een platform te maken voor zeer gevoelige eiwit-herkenning. Dat platform kan ziekten in de vroegste stadia opsporen en de werking van mogelijke behandelingen verbeteren.
“Deze baanbrekende techniek kraakt de code van eiwitten en biedt een veelbelovende manier om eerder ziekten op te sporen”, zegt Chirlmin Joo, begeleider van het project. Dit was mogelijk dankzij een grote bereidheid om samen te werken. “We willen alle mensen uit onze groep bedanken die bij het onderzoek betrokken waren, evenals onze externe collega’s, waaronder de labs van Martin Pabst van de afdeling van Biotechnology, van Dick de Ridder (Universiteit Wageningen) en van Geert-Jan Boons (Universiteit Utrecht)”, besluit Filius.
