Met rust krijg je de fijnste kristalletjes

Een perfect eiwitkristal maak je in gewichtloze toestand. Maar het kan ook zonder shuttle, ontdekten Nijmeegse onderzoekers. Hun geheim: een glasplaatje op een overvolle reageerbuis.

MARTIJN VAN CALMTHOUT

Wie in het Huygensgebouw voor natuurwetenschappen van de Radboud Universiteit in Nijmegen op driehoog vanuit de drukke centrale hal door de klapdeuren van het Instituut voor Moleculen en Materialen gaat, treedt binnen in een oase van rust. Een smetteloze gang met wetenschappelijke posters aan de muur. Tl-licht. Links en rechts zitten onderzoekers in werkkamers geruisloos achter hun bureau, turend op beeldschermen. Achteraan in de gang, in het eigenlijke laboratorium, beweegt niets. Perfect dus, zegt hoogleraar vastestofchemie Elias Vlieg, om kristallen te laten groeien. 'Rust, daar draait het om in dit vak.'

Op een werktafel in het fluisterstille lab staat een gifgroen houdertje met een reeks plastic reageerbuisjes vol heldere vloeistof. Van dichtbij is te zien dat ze zijn afgesloten met een flinterdun glaasje, vastgehouden door wat vaseline op de rand. Ziedaar een wetenschappelijke vondst om toch echt even vrolijk van te worden, gebaart Vlieg. 'Dit is alles. Het idee is zo simpel dat je je voor het hoofd slaat en denkt: waarom zijn we er niet eerder opgekomen? Maar zo is het dus wel.'

Onzichtbaar voor het blote oog bevinden zich aan de binnenkant van het afdekglaasje piepkleine kristalletjes van het runder-insuline - een eiwit - dat in de vloeistof is opgelost. Vlieg en zijn groep tonen in een net gepubliceerd artikel in het Amerikaanse vakblad Crystal Growth & Design aan dat het betere kristallen zijn dan je kunt maken met conventionele technieken. Of, zegt Vlieg, in gewichtloosheid; bijvoorbeeld aan boord van het ruimtestation ISS, of in de Space Shuttle.

Het artikel bevat behalve voor experts indrukwekkende röntgenanalyses van de kristalroosters ook overtuigende microscoopfoto's van loepzuivere kristalletjes van pakweg 0,05 millimeter lang die de onderzoekers van het glazen plafond in de volle reageerbuisjes hebben gevist. Ernaast ook de duidelijk minder fraaie kristallen die onder in dezelfde buisjes ontstonden; zie zijn vaak vergroeid en geen twee zijn er hetzelfde. Een nachtmerrie is dat, voor eiwitkristallografen, zegt Vlieg. 'Bij röntgendiffractie ontstaan dan allerlei dubbele beelden, waardoor de structuur van het molecuul niet of veel lastiger te ontrafelen is.'

Duivels moeilijk

Eiwitten zijn ingewikkelde moleculen, die niet alleen relatief groot zijn, maar zich ook op heel specifieke manier vouwen. De structuur op atomair niveau is te achterhalen door van het eiwit een kristal te maken en er röntgenstraling doorheen te schijnen. Daardoor ontstaat een verstrooiingspatroon waaruit met veel rekenwerk de ruimtelijke positie van elk atoom te achterhalen is. De techniek is al een eeuw oud. Het probleem, aldus Vlieg, is dat complexe eiwitten zich duivels moeilijk laten kristalliseren, in elk geval niet netjes. De ingewikkelde eiwitten willen zich vanuit een oververzadigde vloeistof wel aan elkaar hechten. Graag zelfs. Maar het aantal mogelijkheden waarop dat fout kan gaan, is groter dan het aantal goede mogelijkheden. Naarmate de kristallisatie sneller verloopt, worden meer fouten in het groeiende kristal ingebouwd.

De beste remedie, zegt Vlieg, is traagheid. Kristallisatie is een dynamisch proces. Als het niet snel verloopt, hebben de eiwitmoleculen die niet helemaal lekker in een kristaloppervlak passen nog kans los te raken en het opnieuw te proberen.

In een gewone oververzadigde oplossing lijkt Moeder Natuur altijd haast te hebben om de klus te klaren. Rondom een beginnend kristalletje worden moleculen uit de vloeistof getrokken, waardoor de dichtheid van de vloeistof iets afneemt. De lichtere vloeistof stijgt op, en brengt in de reageerbuis onvermijdelijk een stroming op gang, die vanuit het centrum via de wanden weer naar beneden gaat. Deze convectiestroming voert van onderaf actief nieuwe moleculen aan voor nog meer kristallisatie.

In de gang van het lab is op schaduwfoto's van groeiende kristalletjes in een vloeistof de opstijgende pluim goed te zien. Het zijn opnamen van een oud experiment van de Nijmeegse groep. In de supermagneet een lab verderop werd daarbij gewichtloosheid nagebootst, door de zwaartekracht te compenseren met een magnetische kracht omhoog - een truc waarmee ooit Nobelprijswinnaar Andrei Geim een kikker liet zweven.

Onder gewichtloosheid maakt het niet uit dat de oplossing rond een kristal lichter is. De convectiestroming verdwijnt en de kristalgroei kan in alle luwte plaatsvinden.

Synchrotron

Een mooi principe, maar erg praktisch is zoiets niet. Al was het maar omdat de gebruikte magneet megawatts aan energie gebruikt en hooguit enkele uren aan kan staan voor de koeling het begeeft. Maar, zegt Vlieg, bij de discussies over de vraag hoe je convectie in een reageerbuis voorkomt zonder meteen een ruimtevlucht te organiseren, was daar plotseling het ei van Columbus: de kristallisatie boven in de vloeistof tegen een glazen plafond laten plaatsvinden. Dan is er geen ruimte voor convectie. 'Collega Willem van Enckevort kwam ermee en we wisten meteen: wow, dat is het natuurlijk.'

Experimenten met runder-insuline en lysosime uit kippeneieren hebben de Nijmeegse chemici inmiddels ronduit gelijk gegeven. Metingen met röntgenstraling in het ESRF-synchrotron in Grenoble laten zien dat de kristalletjes superieur van kwaliteit zijn, zelfs als de grondstoffen niet superzuiver waren. Beter dan de beste resultaten uit experimenten in ruimtestations. En een smak goedkoper, natuurlijk.

Enthousiasme alom? Dat valt eerlijk gezegd een beetje tegen, bekent Vlieg. De wereld van de eiwitkristallografie is tamelijk gesloten, heeft hij als vastestofchemicus ervaren. Misschien zijn de Nijmeegse resultaten wat dat betreft wel iets te mooi, mijmert hij. 'De eerste reviewer die we ons artikel stuurden, dacht dat het een gelukstreffer was. Hij geloofde het niet. Insuline en lysosime gelden bovendien als gemakkelijke eiwitten, die altijd wel behoorlijk kristalliseren. Dat maakt kennelijk geen indruk.'

Het is de reden dat het artikel uiteindelijk niet verschijnt in een topblad, maar in een relatief onbekend chemisch vakblad. Maar Vlieg en zijn groep laten het er niet bij zitten. Met eiwitchemici van de universiteit van Göteborg in Zweden werken ze aan low-techkristallisatie van een membraaneiwit dat notoir lastig netjes kristalliseert. Als ook dat lukt, wordt het alsnog Nature, daar is hij heilig van overtuigd.

87.089 EIWITTEN, AND COUNTING

Het begon in 1976 als een plaatselijke databank in de VS met welgeteld dertien eiwitten, waarvan de driedimensionale moleculaire structuur met röntgendiffractie was vastgesteld. Nu is de Protein Data Bank onmisbaar in het biochemisch onderzoek, wereldwijd. Vandaag de dag omvat de PDB, vrij toegankelijk op internet, meer dan 87 duizend 3D-structuren van eiwitten, nucleïnezuren en eiwitcomplexen. Dagelijks komen er tientallen bij. Tijdschriften en onderzoeksfinanciers eisen van auteurs dat ze hun nieuwe gegevens over eiwitten in de databank publiceren voor derden.

undefined

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden