Beter zicht op de werkpaarden van ons lichaam

Genen zijn cruciaal voor veel aspecten van het leven, maar het zijn de eiwitten die ons lichaam laten functioneren. Als we precies zouden weten welke eiwitten belangrijk zijn voor onze gezondheid en bij ziekte zou dat een belangrijke doorbraak zijn. Giovanni Maglia heeft een essentieel hulpmiddel ontwikkeld om dit te bereiken: het analyseren van afzonderlijke eiwitten met nanoporiën. Hij richtte het bedrijf Portal Biotech op om deze techniek op de markt te brengen, waarmee het zicht op onze gezondheid sterk kan verbeteren door te laten zien wat er in onze cellen en weefsels gebeurt. Op 5 januari ontving hij de FSE Impact Award van de Faculty of Science and Engineering.

FSE Science Newsroom | René Fransen

Je hebt misschien wel eens gehoord over mutaties in genen die ziekte veroorzaken. In werkelijkheid veroorzaakt het gen geen ziekte, het levert alleen de informatie waarmee onze cellen de eiwitten produceren die de echte boosdoeners zijn. Een gemuteerd gen leidt tot de productie van een defect eiwit, wat de werking ervan in het lichaam verstoort. En dát kan leiden tot ziekte. Om de zaken nog ingewikkelder te maken: met zo’n 20.000 genen kunnen onze cellen ongeveer 100.000 verschillende eiwitvarianten produceren. En door chemische modificatie die plaatsvindt nadat de eiwitten zijn gemaakt (posttranslationele modificatie) kunnen dat er nog eens tien keer zoveel worden.

De veroorzaker van een ziekte

‘Eiwitten zijn belangrijk voor onze gezondheid, het zijn de werkpaarden van onze cellen’, zegt hoogleraar Chemische Biologie Giovanni Maglia. En terwijl wetenschappers het menselijk DNA in detail hebben geanalyseerd weten ze relatief weinig over eiwitten. De standaard methode om eiwitten te onderzoeken is massaspectrometrie. Daarbij worden stukjes eiwit geanalyseerd, waarna de fragmenten worden herleid tot specifieke eiwitten. ‘Maar dat is alsof je naar een gemiddelde van honderd concertbezoekers kijkt’, legt Maglia uit. Dat zegt dus niets over de diversiteit van de bezoekers.

Wat hij wil doen is ieder afzonderlijk eiwit analyseren, zodat het bijvoorbeeld mogelijk is te bepalen welk eiwit de veroorzaker van een ziekte is. ‘Het analyseren van individuele eiwitten is de enige manier om de diversiteit in kaart te brengen’, legt hij uit. Daarvoor moest Maglia een manier vinden om elk eiwit ‘af te lezen’ via de bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd. Want al zijn er er zo’n 100.000 verschillende eiwitten, ze zijn allemaal opgebouwd uit slechts twintig verschillende bouwstenen, de aminozuren.

Spaghetti door een gaatje duwen

Om de bouwstenen af te lezen leidt Maglia het eiwit, dat eruit ziet als een lange sliert spaghetti, door een piepklein gaatje, een nanoporie. Op basis van bestaande technieken om te meten wat er door een nanoporie heen gaat ontwikkelde hij een systeem waarin ongevouwen eiwitten door een nanoporie gaan waarmee hij de afzonderlijke aminozuren afleest, net als eventuele modificaties die zijn aangebracht.

Het was een hele klus om de eiwitten door een nanoporie te laten gaan. Maglia: ‘Het is alsof je gekookte spaghetti door het oog van een naald probeert te duwen.’ Uiteindelijk vond hij een oplossing voor dit probleem. Met een elektrisch veld laat hij vloeistof stromen door een nanoporie. Deze elektro-osmotische vloeistofstroom (EOF) beschrijft hij als ‘de wind die een zeilboot voortstuwt’. De EOF kan sterk genoeg zijn zijn om de remmende krachten te overwinnen die ontstaan wanneer geladen aminozuren van het eiwit door de nanoporie gaan. Maglia en zijn team sleutelden drie jaar aan de afstelling van de EOF om de vloeistofstroom sterk genoeg te maken. ‘Toen dat was gelukt wisten we dat we een werkend product konden maken.’

Aflezen van individuele eiwitten

Het bedrijf Portal Biotech wil draagbare instrumenten en apparatuur voor in het lab leveren waarmee eiwitten eenvoudig zijn te identificeren. Onderzoekslaboratoria kunnen ze gebruiken om te bestuderen hoe bijvoorbeeld posttranslationele modificatie de werking van eiwitten verandert. In de industrie zijn ze te gebruiken om complexe biologische moleculen te karakteriseren zoals antistoffen of andere op biologische moleculen lijkende stoffen, die gebruikt worden voor de behandeling van kanker of ziekten van het afweersysteem.

Uiteindelijk kan het mogelijk worden apparatuur te maken waarmee de aminozuurvolgorde of de identiteit van individuelen eiwitten en kleine moleculen is af te lezen. Dat maakt het mogelijk om iemands gezondheid direct te meten. De nanoporiën kunnen dan net als ons lichaam werken, dat reageert op signalen van eiwitten en andere moleculen, om met deze input allerlei processen te regelen. Nanoporiën zouden bijvoorbeeld een ‘kunstmatige alvleesklier’ kunnen aansturen die het bloedsuiker regelt voor patiënten met diabetes. ‘Daar zullen we de komende tien jaar onze handen nog wel vol aan hebben.’

Een verslag van de prijsuitreiking is te vinden op de nieuwspagina van FSE