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.