Radboud Universiteit Nijmegen


Wereldprimeur in Nijmeegs lab

Creatie van gewichtloosheid levert eersteklas eiwitkristallen op

Chemici en natuurkundigen van het Instituut voor Moleculen en Materialen van de Radboud Universiteit zijn er als eersten ter wereld in geslaagd eiwitkristallen te laten groeien onder ideale, gewichtloze omstandigheden. Tot nu toe was dit alleen in ruimteschepen mogelijk. De Nijmeegse onderzoekers vonden een alternatief in hoge magneetvelden. Ze publiceren erover in Applied Physics Letters van 29 juni 2007.

Eiwitkristallen leveren onmisbare kennis voor medicijnontwikkeling. Voor een goed werkend medicijn is het nodig te weten hoe biomoleculen zoals lichaamseiwitten zijn opgebouwd. De structuur en eigenschappen van dergelijke complexe moleculen laten zich alleen doorgronden in kristalvorm. Bij de vorming van kristallen gaan moleculen namelijk keurig in het gelid staan. Met het laten groeien van eiwitkristallen hopen biochemici de sleutel te vinden voor medicijnen tegen bijvoorbeeld allerlei infectieziekten.

Aardse slordigheid
Hoe gelijkmatiger een eiwitkristal groeit, hoe beter de structuur met behulp van röntgendiffractie in beeld kan worden gebracht. Probleem is dat kristallen doorgaans niet zo netjes groeien. Dat heeft te maken met aardse slordigheid ofwel zwaartekracht. 'Chemici laten een kristal groeien in een met eiwitmoleculen oververzadigde oplossing', legt Elias Vlieg, hoogleraar Vaste Stof Chemie uit. Doordat moleculen zich aan het oppervlak van het kristal hechten, heeft de vloeistof direct om het kristal een lagere dichtheid. Deze lichtere vloeistof stroomt onder invloed van de zwaartekracht naar boven. De zo ontstane stromen verstoren een gelijkmatige groei. 'Rustige groei levert nu eenmaal de mooiste kristallen op', vertelt Vlieg.

Om zulke mooie kristallen te maken, zou dus eigenlijk de zwaartekracht uitgeschakeld moeten worden. De enige plek waar dat goed kan, is in de ruimte. Dat gebeurt ook. Ruimtevaartorganisaties als ESA en NASA investeren tijd en geld in groei van eiwitkristallen in de ruimte. Tot nu toe vallen de resultaten tegen. Experimenten in de ruimte zijn nogal kostbaar, en chemici kunnen er niet met hun neus bovenop staan en slechts op afstand ingrijpen. Het Nijmeegse experiment met hoge magneetvelden biedt mogelijk een aantrekkelijk alternatief voor de ruimte-experimenten.

Ruimtesimulatie
In het High Field Magnet Laboratory (HFML) van de Radboud Universiteit kunnen zulke hoge magneetvelden opgewekt worden dat de diamagnetische kracht de zwaartekracht opheft. Het meest tot de verbeelding sprekende voorbeeld hiervan bood het HFML enkele jaren geleden met de zwevende kikker.

Dit principe van magnetische levitatie biedt onderzoekers de mogelijkheid om in een hoog magnetisch veld condities zoals in de ruimte na te bootsen. Dat is precies wat Vliegs groep samen met wetenschappers van het HFML gedaan heeft. Ze lieten een eiwitkristal groeien in een magneetveld van 27 Tesla en boekten daarmee een wereldprimeur. Vlieg: 'We hebben als eerste ter wereld aangetoond dat je in een hoog magnetisch veld een kristal gelijkmatig kunt laten groeien.'

Micro-gravitatie
De onderzoekers experimenteerden met diverse gravitatiesterktes. Zo konden ze de stroming in de vloeistof beïnvloeden. Bij normale zwaartekracht stroomt de vloeistof omhoog en bij nul gravitatie verkeert het kristal in stilstaande vloeistof, precies zoals verwacht. Bij negatieve gravitatie beweegt de vloeistof precies omgekeerd, dus niet omhoog, maar omlaag. (Zie figuur).

De stroomrichting van de vloeistof is afhankelijk van de zwaartekracht (gravitatie)

'We kunnen nu uitzoeken onder welke gravitatiecondities de beste kristallen groeien', vertelt Vlieg. En dat heeft het HFML voor op de ruimte: 'In het HFML hebben we wel een knop om de gravitatie te regelen, in de ruimte niet.'
Van grootschalige toepassing van de Nijmeegse methode kan voorlopig nog geen sprake zijn, vertelt Vlieg. 'We zitten echt op het randje van wat de magneet aan kan. Die 27 Tesla vergt 14 Megawatt. Dat kunnen we maximaal zes uur achter elkaar doen. De groei van een mooi eiwitkristal kost dagen.'

`Magnetically controlled gravity for protein crystal growth.' Applied Physics Letters, Vol. 90, (2007)
NB Dit artikel wordt door het tijdschrift Nature uitgelicht in zowel de Research Highlights als in de New and Views section in de komende weken.