Radboud Universiteit Nijmegen


Omzetting nitriet in stikstofmonoxide opgehelderd

Leidse en Nijmeegse onderzoekers hebben de omzetting van nitriet in stikstofmonoxide ontrafeld met een techniek om activiteit van individuele enzymen te bekijken. Ze publiceren daarover in de online Early Edition van het wetenschappelijke topblad PNAS (26-2-08). De opstelling staat in het Nijmeegse HFML.

Het broeikasgas stikstofmonoxide ontstaat uit nitriet, dat eerst gevormd is uit nitraat, bijvoorbeeld uit kunstmest die over het land is uitgestrooid. De nitrietomzetting is het werk van bacteriën die gebruik maken van het enzym NiR. De precieze werking van NiR was nog niet bekend, omdat het te klein is om met bestaande microscopische technieken te bekijken. Onderzoekers van het Nijmeegse Institute for Molecules and Materials (IMM) en hun Leidse collega's hebben nu die enzymdeeltjes een fluorescerend label gegeven en zo hun individuele activiteit kunnen bekijken.

Ze zagen dat NiR van kleur wisselt, al naar gelang de fase in het reactieproces. Sterke fluorescentie betekent dat het enzym bezig is, zwakke fluorescentie betekent: het enzym doet even niets. Ook hebben ze op elektronniveau gedetailleerde kennis over het reactieproces gekregen.

Individuele enzymen
Alan Rowan en Roeland Nolte van het IMM werken al langer aan het bestuderen van individuele enzymen. Dat geeft namelijk veel meer informatie over de werking ervan dan het kijken naar een grote hoeveelheid. Enzymen zijn eiwitten die fungeren als katalysator: ze versnellen reacties zonder zelf te veranderen. Enzymen en andere eiwitten zorgen ervoor dat ons lichaam blijft functioneren. Maar enzymen kunnen ook op vele andere manieren nuttig worden gemaakt, bijvoorbeeld in wasmiddelen. Het is dus van groot belang om te weten hoe ze precies werken.

De Leidse collega's klopten in Nijmegen aan om hun NiR-enzym op zijn individuele eigenschappen te bekijken. De opstelling daarvoor staat in het HFML - het lab voor hoge magneetvelden. Maar die zijn niet nodig voor de meting, legt mede-auteur Peter Christanen uit. 'Nee, wij fysici hebben gewoon meer ervaring met de optische apparatuur die hier voor nodig is. En die apparaten hebben we hier in het HFML allemaal bij de hand. De chemici in het project weten weer precies hoe ze die fluorescente labels aan moeten brengen. Later wil ik graag dergelijke experimenten in hoge magneetvelden doen.'

De ontdekking
Nitriet (NO2¯) wordt omgezet in stikstofmonoxide (NO) doordat het één elektron en twee protonen opneemt en daarbij een watermolecuul (H2O) afsplitst. Het is een gecompliceerd proces dat het enzym weet te versnellen doordat het de 'spelers' in dit gebeuren (het NO2¯ en de twee protonen) letterlijk in een houdgreep neemt, zodat ze er eigenlijk niet meer aan kunnen ontkomen om met elkaar reageren als er eenmaal een elektron in de buurt is. Dat elektron wordt weer aangeleverd door andere eiwitten in de cel die met het NiR tijdelijk een verbintenis kunnen aangaan.

De manier waarop dat elektron als het eenmaal aangekomen is in het NiR tenslotte de 'hot spot' bereikt waar de eigenlijke reactie plaatsvindt, gebeurt nogal rommelig, zo hebben de onderzoekers kunnen vaststellen. De ene keer komt het elektron snel ter plaatse, de andere keer langzaam, afhankelijk van de interne dynamica van het enzym. Het enzymmolecuul is een beweeglijke gelei en de trillingen in deze pudding hebben effect op de snelheid waarmee het elektron zich in de pudding kan voortbewegen.

The enzyme mechanism of nitrite reductase studied at single-molecule level Sofya Kuznetsova, Gerhild Zauner; Gerard W. Canters, Thijs Aartsma, Leiden University. Hans Engelkamp; Nikos Hatzakis; Alan E. Rowan; Roeland J.M. Nolte; Peter Christianen, Radboud Universiteit Nijmegen. In PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) Early Edition 26-2-08.