Nieuwe NMR-aanpak om druppelvormige celinhoud te bestuderen

Utrechtse onderzoekers zijn erin geslaagd op een nieuwe manier en met ongekende resolutie te kijken naar zogeheten biomolecular condensates: membraanloze compartimenten in de cel. Het bestaan van deze druppels in de cel druist in tegen alle lesboeken. Toch zijn ze nu voor het eerst in vitro met grote precisie in kaart gebracht. De onderzoekers publiceren hun bevindingen samen met collega’s in Duitsland op 4 oktober 2019 in Nature Communications.

Scholieren leren nog steeds dat de inhoud van cellen bestaat uit organellen met een membraan eromheen. Maar die tekstboekkennis kan op de schop. Sinds enkele jaren weten onderzoekers dat er naast de membraanomhulde organellen als mitochondriën en het golgicomplex, ook druppelachtige, membraanloze compartimenten in cellen bestaan: ook wel biomolecular condensates genoemd.

Anders dan in de lesboeken

“Deze ‘druppels’ bestaan uit eiwitten en rna, en zijn verspreid over de cel. Deze condensaten vormen af en aan eilandjes: plotseling verhoogt de concentratie van bepaalde eiwitten en ontstaan er clusters van moleculen. Dat gebeurt overal in de cel, in het cytoplasma, maar ook in de kern”, vertelt laatste auteur Marc Baldus van de Universiteit Utrecht. “Het is totaal anders dan wat in de lesboeken staat. Niet alles heeft een vaste plek, zoals altijd werd gedacht, zelfs dna kan deze druppels vormen.”

In hoge resolutie bekijken

Sinds enkele jaren weten onderzoekers van het bestaan van deze membraanloze compartimenten, maar de resolutie van gangbare microscopie, tomografie en mri was niet toereikend om het dynamische karakter van deze druppels in beeld te brengen op het niveau van atomen. In Utrecht beschikken ze over geavanceerde apparatuur om met magnetic resonance (NMR) naar complexe systemen te kijken. In dit onderzoek ontwikkelden ze samen met de groep van Remco Sprangers van de Universiteit van Regensburg een nieuwe NMR-aanpak om eiwitten die druppels vormen te bestuderen: een combinatie van zogeheten solid-state én solution-state NMR.

“Een groot deel van de eiwitten heeft geen vaste structuur, ze gaan van de ene vorm over in de andere. De ongevouwen delen van een eiwit wapperen als het ware heen en weer en zijn beschikbaar voor bindingen met andere eiwitten. Die overgangsvormen kunnen we nu in hoge resolutie bekijken, waar het eiwit bindt, met welk eiwit en straks ook hoe snel”, vertelt Baldus.

We gaan nu aan de slag om alle details van deze systemen in kaart te brengen.

Biomolecular condensates bevatten vaak eiwitten die bij ziektes als kanker, alzheimer en ALS een rol spelen. “Daarom zijn ze nu ook voor de farmaceutische industrie interessant: met meer kennis over hun organisatie zou je medicijnen mogelijk gerichter kunnen toepassen”, zegt Baldus. “Maar dat is stap twee. We tonen nu voor het eerst aan dat wij deze druppels op de hoogste resolutie kunnen bestuderen en we gaan nu aan de slag om alle details van deze systemen in kaart te brengen.”

Publicatie

Atomic-level insight into mRNA processing bodies by combining solid and solution-state NMR spectroscopy. Nature Communications, 4 oktober 2019. DOI 10.1038/s41467-019-12402-3 Reinier Damman*, Stefan Schütz, Yanzhang Luo*, Markus Weingarth*, Remco Sprangers & Marc Baldus*

*Auteurs verbonden aan de Universiteit Utrecht