Voor de leerling

Research4U
2
Cellen afluisteren
Voor de leerling
Afluisterpraktijken
“Cellen hebben een soort Facebookpagina,” vertelt
Bobby Florea, onderzoeker aan de Universiteit Leiden.
“Ze plakken kleine stukjes eiwit, peptiden, aan hun
buitenkant. Daarmee laten ze aan de cellen in de buurt
weten: ‘Het gaat goed met me, en ik ben hier en hier mee
bezig.’ Die peptiden zijn afbraakproducten van de eiwitten die de cel heeft gebruikt, waaraan zijn buren kunnen
afleiden wat de cel gedaan heeft of aan het doen is. Door
uit te zoeken welke peptiden aan de buitenkant van een
cel hangen, proberen wij de ‘Facebookupdates’ van die
cellen te ‘lezen’.”
Als een cel ziek wordt, bijvoorbeeld door een virus of een
foutje in het DNA dat kanker veroorzaakt, kun je dat ook zien
aan de eiwitten aan de buitenkant van de cel. Ze veranderen,
er ontstaan ongewone combinaties. Alsof iemand hun Facebookaccount heeft gehackt.
Eiwitten en hun kleinere vorm, peptiden, hebben een eigen
alfabet dat bestaat uit twintig aminozuren (zie tabel 1 op het
werkblad of tabel 70E in Binas). Dat zijn kleine moleculen,
Bobby Florea
Leeftijd: 39
Universiteit:
Universiteit Leiden
“Toen ik nog op de middelbare school zat, dacht ik dat
wetenschapper net zo’n beroep was als ontdekkingsreiziger: vroeger misschien heel spannend, maar nu is alles
toch wel ontdekt. Maar toen ik aan de universiteit ging
studeren, kwam ik erachter dat dit echt niet zo is. Als
we al 1% weten van alles wat er te weten valt, dan is het
veel! Onderzoek doen past ook zo mooi bij het menselijk
karakter: we zijn van nature nieuwsgierig en wetenschap
is eigenlijk nieuwsgierigheid op het hoogste niveau. Daar-
die je als een kralenketting aan elkaar kunt rijgen tot een
groter molecuul: een eiwit. De volgorde van de aminozuren
zorgt voor de driedimensionale structuur van dat eiwit. Deze
structuur bepaalt weer wat dat eiwit kan doen, zoals bijvoorbeeld een chemische reactie helpen verlopen, een signaal
doorgeven of het skelet van een cel vormen. Ontcijfer je die
aminozuurvolgorde, dan weet je ook welk eiwit of welke peptide je te pakken hebt.
Het aflezen van de aminozuurvolgorde doet Bobby met zijn
massaspectrometer. Dat is een apparaat waarmee je kunt
meten hoe zwaar moleculen zijn. Elk aminozuur heeft een andere massa. Als je ze één voor één meet, kun je het verschil
tussen bijvoorbeeld leucine- en prolinemoleculen prima zien.
Maar als ze nog in een peptide aan elkaar zitten, bijvoorbeeld
met zes aminozuren achter elkaar, wordt het moeilijker.
Om de volgorde van aminozuren vast te stellen, kun je een
(deel van een) eiwit in een massaspectrometer fragmenteren:
je beschiet dan de peptiden met elektronen, waardoor de
peptide uit elkaar valt in kleinere, geladen stukjes. Deze geladen stukjes komen in een magnetisch veld terecht, waardoor
ze worden afgebogen. De mate van afbuiging is afhankelijk
van hun massa. Op deze manier kun je de fragmenten sorteren
en apart meten. Als je begonnen bent met een peptide van
zes aminozuren, dan meet je in de tweede ronde bijvoorbeeld
aan meedoen, voelt geweldig. Je werkt in een team van
gemotiveerde collega’s en je bevindingen worden over
de hele wereld gelezen. Wetenschap is bijna net zo internationaal en competitief als topsport. Maar het mooiste
vind ik, dat als ze je experimenten over 10, 100 of 1000
jaar herhalen, er dezelfde resultaten uit komen! Dat is de
kracht van kennis en degelijk wetenschappelijk werk.
Natuurlijk ben ik niet alleen maar aan het experimenteren. Ik heb een gezin waar ik ook graag tijd mee doorbreng, en als ik even een momentje over heb, kijk ik
graag naar Formule 1-autoraces. Daar doen ze trouwens
ook veel onderzoek, bijvoorbeeld naar nieuwe materialen voor banden, aerodynamica, schakelsystemen. Die
innovaties sijpelen ook langzaam door naar privéauto’s.
Misschien schakelen we straks wel allemaal met knopjes
in het stuur, in plaats van met een versnellingspook.”
Research4U
3
Cellen afluisteren
Opdracht
Breek de ketting
Aminozuurvolgorde
In deze opdracht gaan jullie Bobby helpen met het ontcijferen
van de aminozuurvolgorde van eiwit X.
Figuur 1: Een schematische weergave van een massaspectrometer.
drie stukjes van twee. Of twee stukjes van drie, want waar de
peptide precies breekt, kun je niet van tevoren bepalen. Met
deze metingen, die samen het fragmentatiepatroon vormen,
kun je beredeneren wat de oorspronkelijke volgorde van de
aminozuren in de peptide was. Het fragmentatiepatroon wordt
weergegeven in een spectrum. In Figuur 1 zie je een schematische tekening van de werking van een massaspectrometer. ‡
“Door de aminozuurvolgorde
van elk eiwit op de Facebookpagina van de cel te ‘lezen’,
proberen we te achterhalen
wat er aan de hand is in die
cellen,” vertelt Bobby. “Want
als een cel geïnfecteerd is door
een virus, verschijnen er ook peptiden op de buitenkant die alleen van viruseiwitten afkomstig kunnen zijn.
Of stukjes eiwit die extra veel voorkomen in beginnende
kankercellen. We hopen dat we met deze methode in een
heel vroeg stadium kunnen zien of die cellen bezig zijn
kanker te ontwikkelen. Want dat wil de medische wetenschap graag weten en is in het belang van de patiënt. ”
Het bepalen van de aminozuurvolgorde met een spectrometer is een enorme klus, omdat een eiwit op twee manieren
kan worden gefragmenteerd. Allereerst vindt b-fragmentatie
plaats, waarbij het eiwit wordt afgebroken vanaf de N-terminus (uiteinde bij de NH2-groep). Ook vindt y-fragmentatie
plaats, waarbij het eiwit wordt afgebroken vanaf de Cterminus (uiteinde bij de COO--groep) (zie Figuur 2). Bij het
fragmenteren ga je van het hele eiwit naar steeds kleinere
stukjes. De fragmenten kunnen bestaan uit een of meerdere
aminozuren, waarbij altijd één van de uiteinden van het eiwit
aanwezig is. Telkens als een fragment de detector passeert,
verschijnt er een piek in het spectrum bij de bijbehorende
massa op de x-as. Bij fragmentatie mist vaak de piek van het
‘laatste’ aminozuur op het massaspectrum, dus bij b-fragmentatie de C-Terminus en bij y-fragmentatie de N-Terminus.
Na het fragmenteren meet de spectrometer bij de detector
de massa van de aanwezige stukjes, waaruit je met behulp
van vooraf bekende massa’s kunt bepalen wat de identiteit
van het stukje is. Elk fragment heeft een specifieke massa.
Bepaal de aminozuurvolgorde van eiwit X door het massaspectrum op het werkblad te analyseren (Figuur 3). Gebruik
hierbij Tabel 1, waarin de aminozuurcodes staan met de
bijbehorende massa’s. Schrijf per fragment in het massaspectrum de aminozuurcode op. Je kunt ervan uitgaan dat bij elke
fragmentatie steeds maar één aminozuur wordt afgebroken
van het eiwit. Een aminozuurvolgorde wordt altijd genoteerd
vanaf de N-terminus naar de C-terminus toe. ‡
TIP: kijk naar de verschillen tussen de massa’s bij achtereenvolgende pieken!
Figuur 2: Fragmentatie van een eiwit. Dit kan zowel vanaf de N-terminus als de C-terminus. De rode lijntjes geven aan waar het eiwit kan breken.