[PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Een enkel eiwit scannen met de precisie van één aminozuur
- From: Esther Vriesendorp <E.S.Vriesendorp@xxxxxxxxxx>
- To: "pwc-media@xxxxxxxxxxxxx" <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
- Date: Thu, 4 Nov 2021 21:10:57 +0000
Een enkel eiwit scannen met de precisie van één aminozuur
Met behulp van nanopore DNA sequencing technologie zijn onderzoekers van de TU
Delft en de University of Illinois erin geslaagd één enkel eiwit te scannen:
door een gelineariseerd eiwit langzaam door een minuscuul nanogaatje te
trekken, één aminozuur tegelijk, konden de onderzoekers elektrische stroompjes
aflezen die betrekking hebben op de informatieinhoud van het eiwit. De
onderzoekers publiceerden hun proof-of-concept vandaag in het vakblad
Science<http://www.science.org/doi/10.1126/science.abl4381>. Deze nieuwe,
single-molecule peptide scanner betekent een doorbraak in de identificatie van
eiwitten, en opent de weg naar single-molecule eiwit sequencing en het in kaart
brengen van de eiwitten in een enkele cel.
Eiwitten zijn de werkpaarden van onze cellen, maar toch weten we nog niet welke
eiwitten we allemaal bij ons dragen. Een eiwit is een lange peptideketting van
20 verschillende soorten aminozuren, vergelijkbaar met een halsketting met
verschillende soorten kralen. Aan de hand van de DNA-blauwdruk kunnen we
voorspellen uit welke aminozuren een eiwit bestaat. Het uiteindelijke eiwit kan
echter sterk afwijken van de blauwdruk, omdat een eiwit nog allerlei
veranderingen ondergaat nadat het gemaakt is. De huidige methoden om eiwitten
te meten zijn duur, beperkt tot grote volumes, en ze kunnen veel zeldzame
eiwitten niet detecteren. Met nanopore technologie is men in staat gebleken om
afzonderlijke DNA-moleculen te scannen en te sequencen. Een team onder leiding
van Cees Dekker (TU Delft) heeft deze techniek nu aangepast om in plaats
daarvan een enkel eiwit te scannen, met de precisie van één aminozuur.
"In de afgelopen 30 jaar is nanopore DNA sequencing ontwikkeld van een
academisch idee tot een echt werkend apparaat," legt Cees Dekker uit. "Dit
heeft zelfs geleid tot commerciële draagbare nanopore sequencers die de
gigantische miljardenmarkt voor genetische toepassingen bedienen. In ons werk
breiden we dit nanopore concept nu uit naar het lezen van afzonderlijke
eiwitten. Dit kan grote impact hebben op fundamenteel eiwitonderzoek en
medische diagnostiek."
Als kralen door de afvoer
De nieuwe techniek onthult kenmerken van zelfs afzonderlijke aminozuren binnen
een peptide, maar hoe dan? Henry Brinkerhoff, eerste auteur van het artikel die
dit concept ontwikkelde als postdoc in Dekkers lab, legt uit: "Stel je het
koord van aminozuren in een peptidemolecuul voor als een ketting met kralen van
verschillende grootte. Stel dat je dan de kraan opendraait terwijl je die
ketting langzaam door de afvoer beweegt, wat in dit geval de nanopore is. Als
een grote kraal de afvoer blokkeert, stroomt er maar een klein straaltje water
door; als de kleinere kralen in de ketting precies bij het afvoerputje zitten,
kan er meer water doorstromen. Met onze techniek kunnen we de hoeveelheid
stromend water (eigenlijk de ionenstroom) heel precies meten." Cees Dekker vult
enthousiast aan: "Een gave eigenschap van onze techniek is dat we een enkele
peptidestring steeds opnieuw konden aflezen: we middelen dan alle data voor dat
ene molecuul, en kunnen zo het molecuul met 100% nauwkeurigheid identificeren."
Dit resulteert in een unieke uitslag die kenmerkend is voor een specifiek
eiwit. Wanneer de onderzoekers ook maar één aminozuur binnen de peptide ("één
kraal van de halsketting") veranderden, kregen ze heel verschillende signalen,
wat de extreme gevoeligheid van de techniek aangeeft. De groep onder leiding
van Alek Aksimentiev aan de Universiteit van Illinois voerde moleculaire
dynamica simulaties uit die uitwezen hoe de ionenstroomsignalen zich verhouden
tot de aminozuren in de nanoporie.
Scannen van de streepjescode voor identificatie
De nieuwe techniek is zeer krachtig voor het identificeren van afzonderlijke
eiwitten en het in kaart brengen van minieme onderlinge veranderingen -
vergelijkbaar met de manier waarop een kassière in de supermarkt elk product
identificeert door de streepjescode te scannen. Het zou ook een nieuwe route
kunnen zijn naar het volledig sequencen van eiwitten in de toekomst. Henry
Brinkerhoff verduidelijkt: "Onze aanpak kan een basis leggen voor een
single-protein sequencer in de toekomst, maar de novo sequencing blijft een
grote uitdaging. Daarvoor moeten we eerst nog de signalen van een enorm aantal
peptiden karakteriseren om een 'kaart' te maken die de ionenstroomsignalen
verbindt met de eiwitvolgorde. Toch is de mogelijkheid om veranderingen van
afzonderlijke aminozuren in afzonderlijke moleculen te onderscheiden een enorme
vooruitgang, en er zijn meteen al veel toepassingen voor de technologie zoals
die er nu is."
Een glimp opvangen van de 'donkere materie' van de biologie
Met deze nanopore peptidenlezer kunnen onderzoekers gaan analyseren welke
eiwitten er in onze cellen rondzweven. Na de synthese in de cellen ondergaan
eiwitten nog veranderingen die hun functie beïnvloeden, de zogenaamde
post-translationele modificaties. De miljoenen eiwitvarianten die daardoor
ontstaan, zijn moeilijk te meten en zou je kunnen benoemen als de 'donkere
materie van de biologie'. Cees Dekker: "Om de metafoor door te trekken: nadat
een ketting met kralen is gemaakt, wordt hij nog bijgewerkt: sommige rode
kralen krijgen er een fosfaatgroep bij, sommige blauwe kralen een suikergroep,
enzovoort. Deze veranderingen zijn cruciaal voor de werking van eiwitten, en
ook een marker voor ziekten zoals kanker. Wij denken dat onze nieuwe aanpak ons
in staat zal stellen dergelijke veranderingen te meten op enkel eiwitniveau, en
zo een licht te werpen op de eiwitten die wij met ons meedragen."
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Contact information: Prof.dr. Cees Dekker: email
c.dekker@xxxxxxxxxx<mailto:c.dekker@xxxxxxxxxx>
tel +31 15 2786094
Violet van Houwelingen
email
v.van.houwelingen@xxxxxxxxxx<mailto:v.van.houwelingen@xxxxxxxxxx>
Persvoorlichter TU Delft
tel +31 6 42481082
Reference to the paper: H. Brinkerhoff, A.S.W. Kang, J. Liu, A.
Aksimentiev, C. Dekker
Multiple re-reads of single proteins at single-amino-acid resolution
using nanopores
Science, online, 4 November 2021, https://www.science.org
Beeldmateriaal (zie hieronder): afbeeldingen in hoge resolutie kunnen worden
gedownload van https://ceesdekkerlab.nl/research/image-gallery/
Dit materiaal mag vrij worden gebruikt, mits de correcte credits worden vermeld.
[cid:image003.jpg@01D7D1C8.D5807930]
Artist impression van de eiwitlezer, waarbij een helicase (rood) een
DNA-molecuul (geel) omhoog trekt waaraan een peptide (lila) is gehecht - wat
een langzame beweging van het molecuul door de nanogaatje (groen) oplevert,
waardoor de ionenstroomsignalen (oranje highlight) kunnen worden afgelezen die
de aminozuren van het peptide karakteriseren terwijl ze tijdelijk de porie
blokkeren." Credit: Cees Dekker Lab TU Delft / SciXel.
[cid:image006.png@01D7D1C8.D5807930]
Conceptuele rendering van de eiwitlezer, waarbij een helicase (rood) een
DNA-molecuul (zwart) omhoog trekt waaraan een peptide (rood) is gehecht - wat
een langzame translocatie van het molecuul door de nanogaatje (groen) oplevert,
die het mogelijk maakt om de ionenstroomsignalen af te lezen die de aminozuren
van het peptide karakteriseren terwijl ze tijdelijk de porie blokkeren. Credit:
Henry Brinkerhoff, Cees Dekker Lab TU Delft.
Other related posts:
- » [PWC-MEDIA] Persbericht TU Delft: Een enkel eiwit scannen met de precisie van één aminozuur - Esther Vriesendorp
