Voor het eerste hebben wetenschappers een eiwit erop betrapt stroom te geleiden. Ze konden hem zelfs ‘aan’ en ‘uit’ zetten.
Eiwitten zijn de werkpaarden van de cel. Ze geven boodschappen door, lezen DNA af, bouwen andere moleculen en geven de cel zijn stevigheid. Maar wist je dat ze ook stroom kunnen geleiden zoals metaal? Dat suggereert nieuw onderzoek van de Arizona State University.
De onderzoekers, onder leiding van Stuart Lindsay, ontdekten het bijzondere fenomeen al vier jaar geleden, maar sindsdien hebben ze alles dubbel gecheckt en zijn alle mogelijke verklaringen langs gelopen. En er lijkt maar een verklaring mogelijk: het bestudeerde eiwit kan inderdaad worden omgezet in een elektrische geleider.
Tussen twee elektroden
Het verhaal begint met de ontwikkeling van DNA- en aminozuurlezers. Deze lezers kunnen de elektrische eigenschappen van individuele moleculen ‘lezen’ en daarmee identificeren. De moleculen worden als een draad door een naald getrokken (een nanopore) en vastgezet tussen twee elektroden. Een techniek die recognition tunneling wordt genoemd.
Het lukte het team om enkele stukjes DNA en aminozuurketens (stukjes eiwit) op deze manier te bestuderen. De volgende uitdaging: volledige eiwitten. Er werd gekozen voor het alpha-v-beta-3-eiwit, een eiwit dat zich verschanst in het celmembraan. Lindsay en collega’s stopten het eiwit tussen de elektroden en zagen dat het molecuul een opmerkelijke grote hoeveelheid stroom geleidde.
Elektron hoppen
Diverse theorieën werden geraadpleegd om dit bizarre fenomeen te kunnen verklaringen, maar geen een leek volledig te kloppen met de verzamelde gegevens. Een zo’n theorie is ‘elektron hoppen’, waarbij elektronen over grotere afstanden springen. Maar nee, de afstand tussen de elektroden is te groot voor elektronen om de sprong te maken.
Uiteindelijk belanden de onderzoekers bij het quantummechanische werk van de Hongaarse wetenschapper Gabor Vattay. Vattay had al gepubliceerd over de veronderstelling dat eiwitten zich in drie elektrische stadia kunnen bevinden: een staat van metalige elektrische geleidbaarheid, een toestand van elektrische isolatie en een quantumkritische tussenstand.
Aan- en uitzetten
Met hulp van Vattay, die de gegevens van het experiment op een supercomputer naar modellen vertaalde, kwamen Lindsay en zijn team erachter dat het alpha-v-beta3-eiwit zich in rust bevindt in die quantumkritische middenstand. In deze toestand kan een elektrische verandering van buitenaf ertoe leiden dat het molecuul in kwestie kan switchen naar de geleider- of de isolatorvariant.
De onderzoekers bouwden vervolgens een nieuwe en verfijndere opstelling van de DNA- en aminozuurlezers waarmee ze de geleidbaarheid van het eiwit naar believen konden ‘aan-’ en ‘uitzetten’.
Gevoelige sensors
Biofysicus en chemicus Gerard Canters (Universiteit Leiden) is onder de indruk van het onderzoek. “Gewoonlijk worden eiwitten beschouwd als isolatoren. Ze kunnen wel deelnemen aan ladingtransport maar in dat geval gebruiken ze zogenoemde cofactoren die in het eiwit ingebouwd zitten en die tijdelijk een elektron kunnen opslaan en weer afgeven.”
“De onderzoekers proberen nu de geleidende eigenschappen van een eiwit te meten door het vast te zetten op een elektrode en er een tweede elektrode vlak boven te plaatsen. Daarna zetten ze een spanning over de elektrodes en meten de stroom. Die stroom is heel klein, maar het bijzondere is dat bij spanningen groter dan 100 millivolt er veelvuldig korte periodes zijn waarin de stroom veel hoger is, met andere woorden: de geleiding van het eiwit springt telkens enorm omhoog.”
Nieuwe therapieën?
“Wel staan er nog een heleboel vragen open,” zegt Canters. Metingen van het geleidingsvermogen van bio-macromoleculen zijn erg moeilijk en worden vaak geplaagd door artefacten. Om de vele vragen die het werk oproept te kunnen beantwoorden zijn nieuwe experimenten nodig.”
Het team is vooralsnog ook voorzichtig met de bevindingen. Het is tenslotte nog maar bij één eiwit gemeten en veel over het bijzondere gedrag is nog onbekend. Maar mogelijk is dit wel een nieuwe manier om naar eiwitten te kijken. En dat kan van belang zijn bij het ontwikkelen van nieuwe therapieën tegen ziektes waarbij defecte eiwitten zijn betrokken.
Bronnen: Nano Futures, Arizona State University via ScienceDaily, ScienceAlert
Beeld: Weisi Song/Biodesign Institute/Arizona State University
Lees ook:
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!