FOM-programma Fysische biologie I en II. Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Colofon Uitgave Programmacommissie Fysische biologie, december 2008 Auteur Tom Jeltes Fotografie Nout Steenkamp, FMAX, tenzij anders vermeld Grafische vormgeving Eindeloos, Den Haag Met dank aan de betrokken onderzoekers

Fysische biologie Eindverslag ALW/FOM-programma Fysische biologie I en II

Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Fysische biologie

Den Haag, december 2008 Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Inhoud Voorwoord 5 Inleiding: wat is Fysische Biologie? 7

Hoe calcium signalen doorgeeft 9 Prof.dr. Stan Gielen (Biophysics, Radboud Universiteit Nijmegen) Dr. Alexander Theuvenet (Cell Biology, Radboud Universiteit Nijmegen)

Hoe DNA wordt gerepareerd 13 Prof.dr. Roland Kanaar & prof.dr. Claire Wyman (Molecular Radiation Biology, Erasmus Medisch Centrum, Rotterdam) Prof.dr. Cees Dekker (Molecular Biophysics, Technische Universiteit Delft)

Hoe botten voelen of ze moeten groeien 18 Prof.dr. Fred MacKintosh (Theory of Complex Systems, Vrije Universiteit Amsterdam) Prof.dr. Jenneke Klein Nulend (Oral Cell Biology, Academisch Centrum Tandheelkunde Amsterdam) Prof.dr. Christoph Schmidt (Physics of Complex Systems, Vrije Universiteit Amsterdam) Dr. Theo Smit (Physics and Medical Technology, VU Medisch Centrum Amsterdam)

Hoe eiwitten hun vorm krijgen 22 Prof.dr. Ron Heeren (AMOLF, Amsterdam) Prof.dr. Saskia van der Vies (VU Medisch Centrum, Amsterdam) Prof.dr. Albert Heck (Biomolecular Mass Spectrometry & Proteomics, Universiteit Utrecht)

Hoe receptoreiwitten over het celmembraan bewegen 27 Prof.dr. Carl Figdor (Tumor Immunology, Radboud Universiteit Nijmegen) Prof.dr. Niek van Hulst & dr. María García-Parajó (Applied Optics, Universiteit Twente) Prof.dr. Thomas Schmidt (Physics of Life Processes, Universiteit Leiden)

Hoe nieuwe onderzoekskernen ontstonden 32 Prof.dr. Marileen Dogterom (Bio-assembly and Organisation, AMOLF, Amsterdam) Prof.dr. Thomas Schmidt (Physics of Life Processes, Universiteit Leiden) Prof.dr. Christoph Schmidt (Physics of Complex Systems, Vrije Universiteit Amsterdam)

Bijlage: overzicht IOPRO’s 40

3

4

Voorwoord “Het programma Fysische biologie is een goed voorbeeld van hoe ontwikke lingen in de wetenschap niet altijd volgens de geijkte paden verlopen. De kiem voor dit gezamenlijke project van FOM en NWO-ALW werd namelijk gelegd tijdens de vijfjaarlijkse strategiebijeenkomst van FOM in Soest in 1995. Bij die gelegenheid werd een voorstel om meer aandacht te besteden aan onderzoek op het grensvlak van natuurkunde en biologie verworpen, maar het bleek wel het begin van een discussie binnen FOM die ertoe leidde dat ik enkele jaren later gevraagd werd om mee te denken over hoe we het Nederlandse onderzoek in dit vakgebied konden stimuleren. In het buitenland was het onderzoeksgebied dat je zou kunnen aanduiden als ‘fysische biologie’ sterk in opkomst, maar in Nederland stond de samenwerking tussen fysici en biologen nog in de kinderschoenen. De biologen hadden in het ‘strategisch plan’ van SLW, de voorloper van ALW, aangegeven graag de samenwerking met fysici te willen intensiveren. De uitkomst van de in Soest aangezwengelde discussie en van de wens van de biologen was dat er in 1998 een grootschalige samenwerking van start ging tussen FOM en ALW, waarvan ik als voorzitter van de programmacommissie de ontwikkelingen van dichtbij heb kunnen volgen. “We zijn nu tien jaar verder, en ik ben bijzonder gelukkig met het resultaat. De kwaliteit van de ingediende voorstellen bleek al direct zo hoog dat we er meer gehonoreerd hebben dan we van tevoren hadden gepland. Bovendien heeft het programma een aantal nieuwe onderzoeksgroepen voortgebracht, die stuk voor stuk erg goed presteren. Fysische biologie heeft naar mijn mening blijvende veranderingen teweeg gebracht: er is het afgelopen decennium een hechte en snel groeiende gemeenschap ontstaan, waarbinnen met name door veel informele contacten voortdurend nieuwe ideeën voor samenwerkingsprojecten worden gegenereerd. Het blijkt dat als biologen en fysici samenwerken, het totaal meer is dan de som der delen. Natuurkundigen hebben het vakgebied verrijkt met diverse geavanceerde fysische technieken, en ze hebben meer dan biologen de neiging tot generaliseren en abstraheren. Biologen blijken in staat de fysici met beide benen op de grond te houden: door hun kennis van biologische systemen kunnen zij laten zien dat de

5

Voorwoord

schijnbare complexiteit van biologische processen vaak de sleutel is tot een beter begrip. Die wisselwerking is zeer vruchtbaar gebleken, en zal dat in de toekomst ongetwijfeld blijven.” Prof.dr. Daan Frenkel Voorzitter programmacommissie Fysische biologie

6

Inleiding: wat is Fysische biologie? Fysische biologie is een onderzoeksprogramma dat is opgezet en uitgevoerd door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en het gebied Aard- en Levenswetenschappen (ALW) van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het liep van 1998 tot 2006, en bestond uit twee delen: Fysische biologie I (opgedeeld in twee rondes), gevolgd door Fysische biologie II. Het doel van het programma was ‘het onderzoek te stimuleren naar de collectieve verschijnselen die ontstaan door de wisselwerking tussen onderdelen van levende cellen of organismen, en om samenwerking tussen fysici en biologen bij dit onderzoek te initiëren’. Een belangrijke vereiste voor deelname aan het programma was daarom inbreng van zowel fysici als biologen bij elk van de projecten. Het programma was opgesplitst in zogeheten Interdisciplinaire Onderzoeksprojecten (IOPRO) en grotere subsidies in de vorm van Start Nieuwe Onderzoekskernen (SNOK), die een drietal veelbelovende onderzoekers op het snijvlak van natuurkunde en biologie hebben kunnen gebruiken om een eigen onderzoeksgroep op te zetten. Daarnaast zijn er vanuit Fysische biologie ook uitwisselingsbeurzen voor jonge onderzoekers verstrekt. In zijn geheel telde Fysische biologie een twintigtal onderzoeksprojecten, elk bestaande uit de aanstelling van een of twee onderzoekers in opleiding (oio) en/of postdocs, aangevuld met enkele tienduizenden tot honderdduizend euro aan materieel krediet. Het totale budget bedroeg ruim acht miljoen euro, waarvan twee miljoen startsubsidie van het algemeen bestuur van NWO, terwijl de rest gelijkelijk werd opgebracht door FOM en ALW. Meer dan vijftig onderzoekers zijn betrokken geweest bij de aanvraag van projecten, verdeeld over de universiteiten van Leiden, Groningen, Wage ningen, Delft, Twente, Rotterdam, Utrecht, Nijmegen, Amsterdam (VU en UvA) en het FOM-Instituut AMOLF. Er zijn in totaal zestien postdocs ingezet bij de interdisciplinaire onderzoeksprojecten, en 25 onderzoekers hebben hun promotieonderzoek uitgevoerd in het kader van een project van Fysische biologie. 7

Inleiding: wat is Fysische biologie?

In de komende hoofdstukken wordt gepoogd een beeld van Fysische biologie te schetsen aan de hand van een vijftal projecten uit het programma, waarbij ook een aantal deelnemende onderzoekers over hun ervaringen aan het woord komt. Het laatste hoofdstuk is gewijd aan de oprichters van drie succesvolle nieuwe onderzoekskernen die hun bestaan mede te danken hebben aan Fysische biologie.

8

Hoe calcium signalen doorgeeft

Prof.dr. Stan Gielen

Dr. Alexander Theuvenet

(Biophysics,Radboud Universiteit Nijmegen)

(Cell Biology, Radboud Universiteit Nijmegen)

“Het door ons voorspelde calciumkanaal

“Dit onderzoek is een hoogtepunt

is later ook gevonden.”

uit mijn carrière.” 9


“Ik beschouw dit onderzoek als een hoogtepunt uit mijn carrière”, zegt Alexander Theuvenet. “Dankzij de samenwerking met Stan Gielen is een project waarmee ik al twintig jaar bezig ben, nu succesvol afgerond.” Stan Gielen en zijn promovendus Martijn Kusters – aangesteld met geld van Fysische biologie – hebben een wiskundig model ontwikkeld dat de fluctuaties van de concentratie van calciumionen in het inwendige van cellen beschrijft. De celbiologiegroep van Theuvenet heeft ruime ervaring met experimenteel onderzoek aan bindweefselcellen uit de nieren van ratten. Onder bepaalde groeiomstandigheden bleken deze cellen spontaan elektrische stroompjes af te geven die te vergelijken zijn met de elektrische signalen die het hart doen samentrekken. Het optreden van de stroompjes valt samen met veranderingen in de calciumconcentratie in de betrokken cellen. Theuvenet wilde weten wat nu precies het verband was tussen het ontstaan van de stroompjes – het ‘vuren’ van de cellen, zoals het wordt genoemd – en de aanwezigheid van calcium in de cel. Actiepotentiaal Elke cel wordt omgeven door een celmembraan, een soort huidje dat de cel beschermt tegen de buitenwereld. De binnenkant van het membraan heeft in het algemeen een lagere elektrische potentiaal dan de buitenkant. In het geval dat een cel ‘vuurt’ wordt de potentiaal aan de binnenkant van het membraan tijdelijk verhoogd. Dat wordt een actiepotentiaal genoemd. Omdat de cellen in elektrisch contact staan met elkaar, kan deze actiepotentiaal doorgegeven worden. Het vormt daardoor een manier van communiceren tussen nabijgelegen cellen.

‘De calciumionen werken als een soort boodschappers’ De actiepotentialen hangen samen met transport van elektrisch geladen deeltjes, zoals calciumionen. Biofysicus Gielen licht toe: “Het membraan bevat kanaaltjes waardoor de ionen de cel binnenkomen, of de cel kunnen verlaten. Daarnaast zijn er ook calciumopslagplaatsen binnenin de cel.” Als er een actiepotentiaal langskomt, stroomt er calcium de cel binnen. Ook kan er calcium vrijkomen uit de opslagplaatsen. Omgekeerd kan een verhoging van de calciumconcentratie ook een actiepotentiaal opwekken. Het nieuwe in het 10

model van Gielen en Theuvenet is dat ze de wisselwerking meenemen tussen de kanaaltjes in het membraan en de inwendige calciumopslagplaatsen. “Uit ons model kwam naar voren dat er nog een extra calciumkanaal moest zijn, anders kregen we het geheel niet kloppend. Dat kanaal is later ook gevonden”, zegt Gielen met zichtbare voldoening. Batterijtjes Een ander resultaat van het onderzoek is ook van belang voor andere weefsels waarin actiepotentialen worden opgewekt, zoals het hart: “De cellen waarin de actiepotentialen ontstaan worden pacemakercellen genoemd”,

‘De cellen geven spontaan elektrische stroompjes af‘ zegt Theuvenet. “Het was nog niet bekend hoe die pacemakers precies werken. Wij zijn erachter gekomen dat er cellen niet in hun eentje in staat zijn om een actiepotentiaal op te wekken. Je hebt altijd een groepje aaneengelegen pacemakercellen nodig.” Om dit te onderzoeken, kweekte Theuvenet plakjes bindweefsel van een cellaag dik. Die plakjes vormen een tweedimensionaal netwerk van elektrisch gekoppelde cellen, die functioneren als een soort batterijen. Met elektrodes bestudeerde hij de actiepotentialen die zich door het bindweefsel voortbewegen. Er gaat pas een stroompje lopen als een groepje pacemakercellen gelijktijdig actief wordt. “Je zou kunnen zeggen dat de cellen pas genoeg vermogen kunnen opwekken als ze samenwerken als één grote batterij.” Zenuwcellen Voor Stan Gielen is de studie van de niercellen een opstapje naar onderzoek op het gebied van neuronen (zenuwcellen). “Het voordeel van de cellen die de groep van Theuvenet bestudeert, is dat ze betrekkelijk eenvoudig zijn. Ze hebben slechts enkele kanalen in het celmembraan die betrokken zijn bij transport van stoffen van buiten de cel naar binnen en andersom. Neuronen hebben veel meer verschillende typen van die kanalen. Dat kunnen wij nog niet modelleren.” Gielen vertelt: “In de jaren tachtig dacht men dat neuronen twee standen hadden: ze vuurden, of ze vuurden niet. Het is gebleken dat ze veel ingewikkelder in elkaar zitten. Het model dat we nu voor nierweefsel van ratten hebben opgesteld, is een eerste stap naar het begrijpen van de processen die in hersenweefsel plaatsvinden.” 11


Volgens Theuvenet is het onderzoek dat hij met Gielen heeft gedaan van belang voor allerlei systemen in het lichaam: “Alle cellen hebben zulke calciumopslagplaatsen en calciumkanaaltjes. En de frequentie waarmee de calciumconcentratie fluctueert, heeft invloed op de expressie van genen.” Dat betekent dat de calciumconcentratie in de cel bepaalt welke eiwitten door de cel worden geproduceerd. De calciumionen werken zo als een soort boodschappers, die berichten van buiten de cel – via de actiepotentiaal – doorgeven aan de celkern. Spijsvertering Dankzij het model snappen de onderzoekers nu ook hoe het mogelijk is dat sommige actiepotentialen zich veel langzamer voortplanten dan je zou verwachten. Gielen: “Bij de spijsvertering wordt op een gegeven moment aan de alvleesklier doorgegeven dat die eiwitafbrekende enzymen moet afgeven. Het is van groot belang dat die enzymen precies op het juiste moment worden geproduceerd en afgegeven, want als er geen voedsel beschikbaar is, gaan de enzymen je eigen lichaam afbreken.” Theuvenet voegt toe: “Dat signaal wordt via actiepotentialen doorgegeven, maar die bewegen in dit geval veel langzamer dan in neuronen: maar een paar millimeters per seconde. Dat is precies het juiste tempo. Met ons model snappen we nu hoe dat werkt.”

12

Hoe DNA wordt gerepareerd

Prof.dr. Cees Dekker

prof.dr. Claire Wyman & Prof.dr. Roland Kanaar

(Molecular Biophysics, Technische Universiteit Delft)

(Molecular Radiation Biology, Erasmus Medisch Centrum, Rotterdam)

“We wilden de eiwitten zíen bewegen.”

“We sturen regelmatig pakketjes met eiwitten van Rotterdam naar Delft.” 13

Hoe DNA wordt gerepareerd

Roland Kanaar – biochemicus aan het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam - is enthousiast over de samenwerking met de biofysici van de TU Delft. Hij en Claire Wyman werken al acht jaar samen met de groep van Cees Dekker. “In die periode hebben we geloof ik al negen publicaties gescoord.” Een deel van die succesvolle samenwerking vond plaats in het kader van Fysische biologie. De onderzoekers uit Rotterdam en Delft bestudeerden onder meer het eiwitcomplex Mre11, dat een essentiële functie vervult bij de reparatie van DNA. In het menselijk lichaam vindt voortdurend celdeling plaats, en omdat voor elk van de dochtercellen een volledige set genetisch materiaal nodig is, wordt bij de celdeling het DNA verdubbeld. Tijdens dat proces gebeurt het regelmatig dat een streng DNA breekt. Dat is potentieel zeer gevaarlijk: beschadigd DNA kan leiden tot het afsterven van de cel of zelfs tot het ontstaan van kanker. Binnen de cel zijn er daarom speciale eiwitten die een gebroken DNA-streng herkennen, zich daaraan binden, en op zoek gaan naar de andere helft van de streng. Breuksyndroom Kanaar vertelt waarom ze zich richten op dit specifieke eiwit: “In Nijmegen hebben ze ontdekt hoe het kwam dat een bepaalde groep kankerpatiënten ontzettend slecht reageerde op de bestraling van tumoren.” Die bestraling is nodig om tumorcellen te doden, maar zorgt ook voor beschadigingen aan het

‘Het eiwitcomplex bestaat uit een bolletje met twee flexibele armen’ DNA van de omliggende cellen. “Het bleek dat bij die patiënten het eiwit complex Mre11 niet goed functioneerde, zodat ze de beschadigingen niet konden herstellen en bestraling fatale gevolgen had.” Men is erin geslaagd om het genetische defect te lokaliseren dat dit zogeheten ‘Nijmeegse breuksyndroom’ veroorzaakt. Met behulp van de gevonden DNA-code kan het bewuste eiwitcomplex nu in het lab worden gemaakt. De groepen van Kanaar en Dekker hebben de handen ineen geslagen om uit te vinden hoe het eiwitcomplex in staat is om DNA-schade te herstellen. Kanaar vertelt dat zijn groep in staat is om de bewuste eiwitten te isoleren en te zuiveren. “In de groep van Cees Dekker hebben ze de apparatuur om de 14

eiwitten die wij maken te onderzoeken met atomic force microscopy, en wij kunnen ze zelf bestuderen met fluorescentiemicroscopie. We sturen met grote regelmaat pakketjes met eiwitten van Rotterdam naar Dekkers groep in Delft. En al vijf jaar komen we elke maand met beide groepen bijeen om de resultaten door te spreken.” Hefboompje Atomic force microscopy (AFM) is een techniek waarmee de structuur van moleculen tot in detail zichtbaar gemaakt kan worden. Het is zelfs mogelijk om afzonderlijke atomen te onderscheiden, en de techniek is daarmee duizendmaal nauwkeuriger dan optische microscopie. De AFM bestaat uit een minuscuul hefboompje dat eindigt in een scherpe punt, die langs het te bestuderen molecuul wordt bewogen. De microscoop ‘voelt’ de krachten die veroorzaakt worden door de nabijheid van het molecuul. Het signaal van de AFM wordt vervolgens omgezet naar een soort ‘hoogtekaart’ waarop de vorm van het molecuul zichtbaar is. Het nadeel van de techniek is dat het veel tijd kost om over het oppervlak van een groot molecuul te scannen, en dat een biomolecuul in zijn natuurlijke omgeving binnen die tijd al lang van plek en oriëntatie is veranderd. “Daarom is het gebruikelijk om biomoleculen uit te drogen en te fixeren voor bestu dering met de AFM”, zegt Cees Dekker. “Maar wij willen nu juist weten hoe de vorm van het eiwitcomplex ervoor zorgt dat het zijn taak kan uitvoeren. We wilden het zíen bewegen.” Zijn groep is als een van de weinige in de wereld in staat om AFM-metingen te doen in een vloeistof. Bovendien kunnen ze tientallen plaatjes maken per seconde. “Nog niet zolang geleden kostte het tien seconden om een enkel plaatje te produceren, nu kunnen we zelfs filmpjes maken met de AFM”, vertelt Dekker met aanstekelijk enthousiasme. Armen Het eiwit ligt nog wel tegen een glasplaatje aan, en beweegt daarom niet helemaal vrij. Toch heeft het volgens Dekker voldoende bewegingsvrijheid om te kunnen afleiden hoe het zich in vivo ongeveer gedraagt. “We weten nu dat het Mre11-complex bestaat uit een soort bolletje met twee flexibele armen. Zodra de kant met het bolletje bindt aan een stuk gebroken DNA, blijken de armen zich evenwijdig aan elkaar te strekken.” Als alles goed gaat, hecht een ander Mre11-complex zich aan de andere helft van de gebroken DNA-streng. De twee eiwitcomplexen strekken hun armen als het ware naar elkaar uit, en grijpen elkaar vast om de twee DNA-strengen weer aan elkaar te koppelen. 15

Hoe nieuwe onderzoekskernen ontstonden

Figuur 1: Het eiwitcomplex Mre11 (groen) gebruikt zijn ‘armen’ om losse stukken DNA weer bijeen te brengen. (TUDelft/Tremani) Figuur 2: AFM-afbeeldingen van Mre11. Links in ongebonden vorm: de armen grijpen in elkaar. Rechts is het eiwitcomplex gebonden aan DNA (bruin) en zijn de armen gestrekt. (Kavli Institute of Nanoscience / Erasmus MC)

16

Daarna komen andere eiwitten in actie om voor het echte herstel te zorgen. “Helaas is deze vorm van DNA-reparatie nogal gevoelig voor fouten, er is geen garantie dat de juiste stukken DNA aan elkaar worden gekoppeld”, zegt Dekker. De natuur heeft daarom nog een ander reparatiemechanisme: de

‘We kunnen nu zelfs filmpjes maken met de AFM.’ zogeheten homologe recombinatie. Daarbij wordt gebruik gemaakt van het feit dat elke cel dezelfde genetische informatie tweemaal bevat: van elke ouder is er een analoge set DNA aanwezig. Ook daar doet Dekker in samenwerking met het Erasmus MC onderzoek naar. Hij geniet zichtbaar: “Het is echt wonderbaarlijk. Als een DNA-streng breekt, gaat er een reparatie-eiwit op zoek naar het chromosoom met dezelfde informatie. Daarvoor moet het drie miljard basenparen scannen om het stukje DNA met de juiste volgorde van basenparen te vinden. Vervolgens wordt die informatie gebruikt om het gebroken DNA te herstellen. Dat vind ik fantastisch.”

17


Hoe botten voelen of ze moeten groeien

18

Prof.dr. Jenneke Klein Nulend (Oral Cell Biology,

Prof.dr. Fred MacKintosh (Theory of Complex Systems,

Academisch Centrum Tandheelkunde Amsterdam)

Vrije Universiteit Amsterdam)

“Bot dat niet meer belast wordt,

“We dienen de cellen

verslonst.”

een overdosis stikstofoxide toe.”

Dr. Theo Smit (Physics and Medical Technology, VU

Prof.dr. Christoph Schmidt (Physics of Complex Systems,

Medisch Centrum Amsterdam)

Vrije Universiteit Amsterdam)

“Dit project heeft ons onderzoek op een hoger plan gebracht”, zegt cel biologe Jenneke Klein Nulend. Ze moest wel even wennen aan de denkwijze van de natuurkundigen waarmee ze samenwerkte: “Ze zijn ontzettend kwantitatief ingesteld, het is pas goed als de fout nul komma nul is.” Dat heeft volgens haar tot bijzonder solide resultaten geleid. “We hadden nog niet eerder met fysici samengewerkt, maar het was een echte eye-opener. Ik hoop dat we dat in de toekomst vaker kunnen doen.” Klein Nulend doet onderzoek naar de functie van botcellen. “Zolang onze botten belast worden, houdt het botweefsel zichzelf netjes in stand, maar bot dat niet meer belast wordt, verslonst.” Dat is een probleem voor bijvoorbeeld mensen met een kunstgebit: doordat de kaak nog nauwelijks wordt belast, slinkt het kaakbeen. Bij astronauten treedt botafbraak op als ze te lang in gewichtloze toestand verkeren. In gezond bot wordt voortdurend botweefsel afgebroken en weer aangemaakt, zodat het bot in goede conditie blijft. Bij zware belasting wordt er meer botweefsel aangemaakt om de botten te verstevigen. Regisseurs Drie soorten cellen spelen een rol bij het onderhoud van botweefsel. Behalve osteoclasten en osteoblasten, die respectievelijk bot afbreken en aanmaken, is er een derde type – de osteocyten. Zij zijn de regisseurs van het bot: afhanke lijk van de belasting bepalen ze waar en wanneer de aanmaak van bot nodig is. Er is nog maar weinig bekend over hoe ze dat precies doen, onder meer omdat het erg moeilijk is om de osteocyten uit het botweefsel vrij te maken.

‘Ze gebruikten een typisch natuurkundig trucje.’ In de groep van Klein Nulend zijn ze in staat om de osteocyten te scheiden van de andere botcellen. “Wij willen weten hoe osteocyten mechanische belasting voelen en hoe ze vervolgens signalen doorgeven aan omliggende cellen”, zegt ze. Samen met biomechanicus Theo Smit bekeek ze hoe een grote verzameling osteocyten reageerde op een externe belasting. Als de cellen werden blootgesteld aan een vloeistofstroom, bleken ze stikstofoxide te produceren. “Dat proces wilden we ook in detail kunnen bekijken, bij enkele cellen. Daarvoor hadden we MacKintosh en Schmidt nodig.”

19

Hoe botten voelen of ze moeten groeien

Waarschijnlijk gebruiken de osteocyten een soort tentakelvormige uitstulpingen, die zich uitstrekken tot in het bot en omgeven zijn door vloeistof, om de krachten die op het botweefsel worden uitgeoefend te meten. Als de botten een klein beetje worden samengedrukt, zou de vloeistof over de uitstulpingen gaan stromen, met als gevolg dat de stikstofoxideconcentratie in de osteocyt toeneemt. De stikstofoxide werkt dan als een signaalstof, die wordt gebruikt om de andere botcellen aan te sturen, zo suggereert eerder onderzoek. “Uit experimenten met ratten is gebleken dat de botopbouw als gevolg van belasting stopt als er geen stikstofoxide beschikbaar is”, aldus Klein Nulend. Trucje Theoretisch fysicus Fred MacKintosh en zijn collega’s van de experimentele groep van Christoph Schmidt (zie ook pagina 32) hebben een techniek ontwikkeld waarmee je de concentratie van stikstofoxide in individuele cellen kunt meten. De techniek maakt gebruik van kleurstofmoleculen, die aan de cel worden toegevoegd. Die moleculen lichten op in de aanwezigheid van stikstofoxide, en dat kan met een microscoop worden waargenomen. “Het lastige van dit soort technieken is dat je moet weten hoeveel kleurstofmoleculen er in de cel zitten. Anders kun je niet bepalen hoeveel stikstofoxide de cel produceert. Als je meer fluorescentie ziet, kan dat namelijk worden

Figuur 3: Osteocyten coördineren de werkzaamheden van osteoblasten (botopbouw) en osteoclasten (botafbraak).

20

Figuur 4: Fluorescentie-afbeelding van osteocyten uit botweefsel.

veroorzaakt door een toename in stikstofoxide, maar ook door de aanwezigheid van meer kleurstof.” MacKintosh en collega’s gebruiken daarom een trucje: ze meten eerst hoe de fluorescentie toeneemt in de tijd en daarna voegen ze zelf een overdosis stikstofoxide toe. “Uit de hoeveelheid fluorescentie die we zien na de overdosis kunnen we afleiden hoeveel kleurstof er in de cel aanwezig was.”

‘Voor fysici is het pas goed als de fout nul komma nul is.’ Het is een typisch natuurkundig trucje, net als de manier waarop de onderzoekers de osteocyten kunstmatig belastten. Naast een minuscuul naaldje, gebruikten ze ook een bolletje dat ze vasthielden met een optisch pincet (zie pagina 39) om tegen de osteocyten aan te duwen - zowel op het cellichaam als op de uitstulpingen. De reactie van de botcellen - zichtbaar in aanwezige hoeveelheid stikstofoxide - blijkt af te hangen van de vorm van de cellen. “Als we osteocyten van patiënten die lijden aan botontkalking vergelijken met die van mensen die juist te veel bot aanmaken, dan zien we dat de vorm van de osteocyten verschilt”, zegt Klein Nulend. “Dankzij deze samenwerking beschikken we nu over een techniek waarmee we dat kunnen kwantificeren.” 21


Hoe eiwitten hun vorm krijgen

Prof.dr. Ron Heeren (AMOLF, Amsterdam)

Prof.dr. Saskia van der Vies (VU Medisch Centrum, Amsterdam)

“Massaspectroscopie is geweldig.” Prof.dr. Albert Heck (Biomolecular Mass Spectrometry & Proteomics, Universiteit Utrecht) 22

“Massaspectrometrie is geweldig, maar je kunt er eigenlijk alleen iets mee als je heel zuivere eiwitten tot je beschikking hebt”, zegt Ron Heeren van het FOM-Instituut voor atoom- en molecuulfysica AMOLF in Amsterdam. “De groep van Saskia van der Vies houdt zich bezig met eiwitvouwing en is heel goed in het zuiveren van eiwitcomplexen, en die hebben wij onderzocht met verschillende vormen van massaspectrometrie, zowel hier op AMOLF als in de groep van Albert Heck in Utrecht.” Massaspectroscopie is een verzameling technieken waarbij een sample van moleculen wordt opgesplitst in componenten met een verschillende massa. Hiervoor worden de moleculen eerst geïoniseerd. Vervolgens wordt er een kracht op de moleculen uitgeoefend met elektrische of magnetische velden. Hoe de moleculen gaan bewegen onder invloed van die krachten, hangt af van hun massa. Lichte moleculen bewegen sneller dan zwaardere. Op die

‘Door te kijken in welke brokstukken ze uiteenvallen, leren we hoe de moleculen in elkaar zitten.’ manier kun je moleculen met verschillende massa van elkaar onderscheiden. Heeren vertelt: “Door de ionen te laten botsen met andere moleculen, of ze bloot te stellen aan laserlicht, kunnen we ze uit elkaar laten vallen. Door te kijken in welke brokstukken ze uiteenvallen, leren we hoe de moleculen in elkaar zitten.” In samenwerking met Heck en Van der Vies is deze methode toegepast om een cruciaal biologisch proces te bestuderen: het vouwen van eiwitten. Kommetje Eiwitten zijn opgebouwd uit lange ketens van aminozuren. Ze vervullen allerlei essentiële taken in het lichaam, maar kunnen die alleen uitvoeren als ze op de juiste manier gevouwen zijn. De eiwitten krijgen bij het vouwen assistentie van zogeheten chaperonnes; speciale eiwitten die als een soort mal fungeren en zo de eiwitten helpen hun functionele vorm te bereiken. Heeren legt uit hoe dat in zijn werk gaat: “De bacterie E. coli bevat chaperonnes in de vorm van een soort kommetje, dat afgesloten kan worden met een andere chape ronne in de vorm van een deksel. De ongevouwen eiwitten komen in het kommetje terecht, waarna dat met het deksel wordt afgesloten.” In het afgesloten kommetje wordt het eiwit in de juiste configuratie gebracht en krijgt het zijn functionele vorm. 23


Verkeerd gevouwen eiwitten kunnen gaan samenklonteren en spelen een rol bij ziektes zoals Alzheimer, BSE en Parkinson. Het is dus van belang om te weten hoe het vouwproces zich precies afspeelt, en wat er mogelijk fout kan gaan. Ook maken virussen gebruik van de chaperonnes van hun gastheer om hun eigen eiwitten te laten vouwen. Heeren vertelt: “Het chaperonnecomplex dat wij hebben onderzocht, vouwt in principe eiwitten voor E. coli. Maar als er een virus in de bacterie binnendringt, kan dat de bacterie opdracht geven om een ander soort dekseltjes te maken. Die dekseltjes passen ook op de kommetjes, maar zorgen ervoor dat er net iets meer ruimte in de holte ontstaat. Daardoor worden ze geschikt om het eiwit te vouwen dat het virus nodig heeft om zijn mantel op te bouwen.”

Figuur 5: Het vouwproces van eiwitten. A) Eiwit van de bacterie E. coli vouwt zonder hulp verkeerd. B) Met hulp van de chaperonne vouwt het bacterie-eiwit wel correct. C) Een viruseiwit past niet in het kommetje met standaard deksel en vouwt daardoor niet. D) Met hulp van de chaperonne met een speciaal deksel vouwt het viruseiwit wel correct.

24

Deeltijd Voor het project van Fysische biologie werden twee promovendi aangesteld, die beiden in deeltijd bij twee van de drie deelnemers aan de slag gingen. Esther van Duijn zuiverde en karakteriseerde de eiwitcomplexen in de groep van Saskia van der Vies aan de VU, en bestudeerde ze verder in Utrecht. Rimco Geels deed metingen aan de chaperonnecomplexen op AMOLF en in Utrecht. Van Duijn bracht met de massaspectrometer van de groep van Albert Heck alle stappen in beeld van het vouwproces dat normaal in de levende cel wordt doorlopen – maar nu alleen met de gezuiverde eiwitten in een vloeistof. Oogwenk Op AMOLF werd de stabiliteit van de eiwitcomplexen onderzocht met een extreem nauwkeurige massaspectrometer. Volgens Heeren kunnen ze op AMOLF zelfs verschillende isotopen – die maar heel weinig verschillen in massa – van elkaar onderscheiden. Ze sluiten de geïoniseerde eiwitten op in een ionenval, gebaseerd op een magneetveld van maar liefst zeven tesla. De eiwitmoleculen draaien hierin rondjes met een frequentie die afhangt van

‘De chaperonnes helpen de eiwitten in de juiste vorm te vouwen’ hun massa. Als ze beschoten worden met laserlicht of elektronen, vallen de moleculen uiteen in kleinere brokstukken. Die zijn lichter, en draaien dus sneller rond in de ionenval. De omloopfrequentie – en daarmee massa - van alle aanwezige moleculen wordt heel nauwkeurig gemeten. “We kunnen met deze techniek zelfs in een oogwenk de volgorde bepalen van de aminozuren waaruit een eiwit is opgebouwd”, zegt Heeren trots. Om te onderzoeken hoe de samenstelling van het chaperonnecomplex afhangt van de temperatuur van de vloeistof waarin het zich bevindt, bracht Rimco Geels deze vlak voor bestudering op een bepaalde temperatuur. Na de eiwitmoleculen in gasvorm te hebben gebracht en geïoniseerd, brak hij de moleculen in de ionenval op door ze met elektronen te beschieten. Het uiteenvallen van de eiwitten gebeurt zo snel dat ze geen tijd hebben om van vorm te veranderen – zo kunnen ze in hun biologisch functionele vorm worden bestudeerd. Hoewel de beide promovendi inmiddels klaar zijn met hun onderzoek, betekent dat geenszins het einde van de samenwerking tussen de drie 25


groepen. Heeren heeft met zowel Van der Vies als Heck concrete plannen voor gezamenlijk onderzoek. “Met Van der Vies gaan we kijken naar eiwitvouwing in relatie tot Alzheimer, en in Utrecht worden nu volledige virussen in de massaspectometer geanalyseerd. De kennis die we opgedaan hebben in dit project blijkt daarvoor erg nuttig.”

26

Hoe receptoreiwitten over het celmembraan bewegen

Prof.dr. Carl Figdor (Tumor Immunology, Radboud

Prof.dr. Niek van Hulst & dr. María García-Parajó

Universiteit Nijmegen)

(Applied Optics, Universiteit Twente)

“We zien dat receptoreiwitten georganiseerd zijn in domeinen.”

Prof.dr. Thomas Schmidt (Physics of Life Processes, Universiteit Leiden)

27


“We willen het immuunsysteem kunnen inzetten om tumorcellen te lijf te gaan”, zegt Carl Figdor. Hij verwacht dat zijn onderzoek zal bijdragen aan de ontwikkeling van immuuntherapie, een behandelingsmethode tegen kanker waarmee de laatste tijd veelbelovende resultaten worden geboekt. Daarvoor doet hij onderzoek naar receptoreiwitten op de buitenkant van zogeheten dendritische cellen, die de eerste verdedigingslinie vormen tegen indringers zoals virussen. De dendritische cel gebruikt speciale receptor eiwitten om de indringer te herkennen, en vervolgens zorgt de cel ervoor dat het immuunsysteem geactiveerd wordt tegen dat specifieke virus. Als de dendritische cellen ook tumoreiwitten zouden kunnen herkennen, kan er een reactie op gang worden gebracht die leidt tot de afbraak van tumoren – een potentieel zeer effectieve en patiëntvriendelijke aanpak van kanker. Lampjes Figdor was betrokken bij maar liefst twee interdisciplinaire onderzoeks projecten van Fysische biologie. In elk van die projecten gebruikte hij een specifieke variant van fluorescentiemicroscopie – waarbij gebruik wordt gemaakt van het ‘oplichten’ van moleculen - om de receptoreiwitten op het celmembraan van menselijke immuuncellen te onderzoeken. Hij vertelt: “Eigenlijk wil je de bewegingen van al die eiwitten over het celmembraan kunnen volgen. Dat kan helaas niet. We kunnen óf alle eiwitmoleculen zichtbaar maken, maar dan kunnen we ze niet zien bewegen, óf we kunnen de eiwitten op hun pad volgen, maar dan slechts een klein deel.”

‘Dendritische cellen vormen de eerste verdedigingslinie tegen indringers.’ Dat laatste kan met een vorm van microscopie die hij toepaste in samen werking met de groep van Thomas Schmidt in Leiden (zie pagina 32). Aan de receptoreiwitten wordt een fluorescent eiwit gehangen, dat als een lampje oplicht wanneer het wordt beschenen met een laser. De onderzoekers kunnen de receptoreiwitten dan langs het celmembraan zien bewegen. Als alle aanwezige eiwitten zouden oplichten, wordt het echter onmogelijk om al die bewegende lampjes van elkaar te onderscheiden. Daarom krijgt maar een klein deel een lampje. “Je moet maar aannemen dat het eiwit dat je ziet ook representatief is voor al die andere eiwitten”, zegt Figdor. “Om toch alle 28

relevante informatie te kunnen verzamelen, hebben we daarom ook een techniek toegepast waarbij we een momentopname kunnen maken van álle receptoreiwitten.” In beide projecten werkte Figdor samen met fysici Niek van Hulst en Maria García-Parajó, destijds werkzaam bij de Universiteit Twente, waar Figdor ook deeltijdhoogleraar is.

Figuur 6: Onvolgroeide dendritische cel. Boven: A) Afbeelding gemaakt met ‘gewone’ fluorescentiemicroscopie en B) Hoogtekaartje van de uitsnede aangegeven in A. Onder: Diezelfde uitsnede bekeken met ‘near field’-microscopie. De clusters van receptoreiwitten zijn met deze techniek duidelijk zichtbaar

29


Scannen Bij die andere techniek wordt steeds een piepklein oppervlak op de cel beschenen met laserlicht, waardoor er maar één receptoreiwit tegelijk oplicht. Langzaam wordt zo over het celmembraan gescand. “Dat duurt enkele minuten, en je wilt niet dat de eiwitmoleculen in de tussentijd van plaats veranderen”, zegt Figdor. Daarom wordt de cel gefixeerd, zodat de receptoreiwitten niet meer over het celmembraan bewegen.

‘Fysici vergeten wel eens dat cellen léven’ Als lichtbron wordt een glasvezel gebruikt, waardoor laserlicht naar het sample wordt geleid. Niet alleen wordt zo slechts een klein oppervlakte belicht, maar het licht dringt ook nauwelijks tot in de cel door, zodat de onderzoekers geen last hebben van fluorescentie uit diepere lagen – het is een zogeheten ‘near field’-techniek. Dat betekent wel dat de lichtbron zich altijd vlak boven het celoppervlak moet bevinden, namelijk minder dan tien nanometer. Om dat voor elkaar te krijgen, hebben de onderzoekers een piepklein stemvorkje ingebouwd: als die dicht bij het celoppervlak komt, gaat hij net iets anders trillen – en die informatie gebruikt het apparaat om de afstand tussen de cel en de lichtbron constant te houden. Op die manier geeft de microscoop ook informatie over de vorm van het celoppervlak – vergelijkbaar met de ‘hoogtekaartjes’ die de atomic force microscope maakt (zie pagina 29). Luchtbel Een belangrijk aspect van de gebruikte methode is dat de cel in vloeistof wordt onderzocht, zegt Figdor. “Normaal gesproken wordt de cel bij het fixeren uitgedroogd, maar daardoor verandert ook de structuur van het celmembraan. Wij willen juist een zo natuurlijk mogelijke situatie onderzoeken.” Dat compliceert de situatie enigszins: de gebruikte stemvork werkt alleen in lucht, terwijl de glasvezel tot in de vloeistof moet steken om het sample goed te belichten. Daarom bouwden de onderzoekers een soort duikersklok van glas om de stemvork heen. De stemvork trilt in de luchtbel die onder de duikersklok gevangen zit, en de glasvezel steekt er net onderuit – tot in de vloeistof. Met deze methode zagen ze in Twente als eersten met nanometerprecisie individuele moleculen op een celmembraan in vloeistof. Met conventionele 30

fluorescentiemicroscopie lijkt het alsof de dendritische cellen volledig bedekt zijn met receptoreiwitten, maar uit near field-plaatjes wordt iets anders duidelijk, volgens Figdor. “We zien dat de receptoreiwitten georganiseerd zijn in domeinen; eiwitten die samen een kunstje doen, zitten daardoor dicht bij elkaar.” Model De bioloog Figdor werkt al sinds 1992 samen met fysici, en dat bevalt hem prima. “Je moet wel elkaars taal leren spreken: voor biologen is een model bijvoorbeeld een schematische cartoon en voor fysici een stel wiskundige formules.” Daar schieten biologen volgens hem vaak van in de stress. Maar ook fysici hebben zo hun eigenaardigheden. Figdor lacht: “Ze vergeten wel eens dat cellen léven. Je kunt niet zomaar een oplossing met cellen verdunnen met water, dan barsten die door de osmotische druk en hou je helemaal geen cellen meer over!”

31



individuele moleculen op een celmembraan in vloeistof. Met conventionele fluorescentiemicroscopie lijkt het alsof de dendritische cellen volledig bedekt zijn met receptoreiwitten, maar uit near field-plaatjes wordt iets anders duidelijk, volgens Figdor. “We zien dat de receptoreiwitten georganiseerd zijn in domeinen; eiwitten die samen een kunstje doen, zitten daardoor dicht bij Prof.dr. Marileenelkaar.” Dogterom (Bio-assembly and

Prof.dr. Thomas Schmidt (Physics of Life Processes,

Organisation, AMOLF, Amsterdam)

Universiteit Leiden)

Model “Onderzoek op het snijvlak van biologie en “Als je relevante data wilt, moet je die zelf De bioloog Figdor werkt al sinds 1992 samen metvind fysici, dat bevalt hem natuurkunde ik en echt super spannend.” verzamelen.” prima. “Je moet wel elkaars taal leren spreken: voor biologen is een model Prof.dr. Schmidt of Complex Systems, bijvoorbeeld een schematische cartoon enChristoph voor fysici een (Physics stel wiskundige Vrije Universiteit Amsterdam) 32

“De SNOK-subsidie was echt een buitenkansje.”

Naast de twintig samenwerkingsprojecten tussen fysici en biologen, was er binnen Fysische biologie ook de mogelijkheid om een zogeheten SNOK-subsidie aan te vragen: Start Nieuwe Onderzoekskernen. Deze subsidie was bedoeld om jonge onderzoekers te helpen een eigen groep op te zetten. Aan drie van de aanvragers werd uiteindelijk een SNOK toegekend. Marileen Dogterom kreeg de subsidie om een groep te starten op het FOM-Instituut voor atoom- en molecuulfysica AMOLF in Amsterdam. De Duitser Thomas Schmidt verliet het Oostenrijkse Linz om zich in Leiden te kunnen wijden aan interdisciplinair onderzoek, in nauwe samenwerking met biologen. Zijn landgenoot Christoph Schmidt kwam na tien jaar in de Verenigde Staten terug naar Europa en vestigde zich aan de Vrije Universiteit in Amsterdam.

‘Microtubuli zijn duizend keer dunner dan een mensenhaar.’ Theorie Marileen Dogterom studeerde ooit af als theoretisch natuurkundige, en leidt nu een experimentele onderzoeksgroep. Ze vertelt hoe dat zo is gekomen: “Tijdens mijn promotie hield ik me bezig met de theorie van een biologisch systeem, en in de laatste fase ben ik wat experimenten gaan doen. Dat beviel me ontzettend goed.” Volgens haar is het heel belangrijk dat theoretici in de biofysica ook zelf experimenten ontwerpen en uitvoeren. De meeste biologische experimenten worden gedaan met dusdanig complexe systemen, dat de resultaten hiervan zelden goed aansluiten bij de vereenvoudigde modellen die de theoretici gebruiken. “Als je relevante data wilt, moet je die eigenlijk zelf verzamelen”, zegt Dogterom. Tegenwoordig beweegt ze zich aan de andere kant van de scheidslijn tussen theorie en experiment, en doet ze haar experimenten in nauw overleg met de theoretische groepen op AMOLF.

Figuur 7: Afbeelding gemaakt met fluorescentiemicroscopie: het celmembraan van twee cellen is zichtbaar door de oplichtende signaaleiwitten. (Thomas Schmidt)

33


Na haar promotie in Princeton en een postdoc bij Bell Labs in de Verenigde Staten, begon Dogterom in 1997 aan een ‘tenure track’ op AMOLF: ze mocht een groep opstarten en kreeg uitzicht op een vaste aanstelling. De SNOK-

‘Fluorescente eiwitten lichten onder de microscoop op als lampjes.’ subsidie - die inging in januari 2000 – leverde een belangrijke bijdrage aan het totstandkomen van haar onderzoeksgroep, die momenteel vijf promovendi en twee postdocs telt. “Met de SNOK heb ik een postdoc en een promovendus kunnen aanstellen, en bovendien heb ik mezelf vier jaar salaris kunnen uitbetalen. Het was in totaal ongeveer een miljoen gulden.” Zo’n eenmalige financiële injectie werkt – mits goed besteed – nog lang door. Dogterom geeft een voorbeeld: “We hebben in 2006 een artikel in Nature gepubliceerd, waarvoor we technieken hebben gebruikt die nog met SNOKgeld zijn ontwikkeld.” Dogterom houdt zich op AMOLF voornamelijk bezig met onderzoek naar microtubuli; lange dunne buisjes die diverse essentiële functies vervullen in de cel (zie hiernaast).

Figuur 8: Celdeling: motoreiwitten (zwart en geel) schuiven microtubuli langs elkaar, waardoor het chromosoompaar in het midden (blauw) uit elkaar wordt getrokken. (Christoph Schmidt)

34

Microtubuli: ‘rampen en reddingen’ De groep van Marileen Dogterom doet onderzoek naar microtubuli – holle buisjes met een doorsnede van 25 nanometer, meer dan duizend keer dunner dan een mensenhaar. Die zorgen deels voor stevigheid van de cel, en deels dienen ze als transportrails voor allerlei stoffen binnen de cel. Bij celdeling trekken ze het verdubbelde DNA uit elkaar naar de twee polen van de cel, die zich vervolgens in tweeën splitst. Om dat te kunnen doen, moeten de microtubuli kunnen groeien en weer krimpen. Dat gebeurt doordat de bouwstenen – tubuline-eiwitten – zich afwisselend aan het einde van het buisje vastzetten, of juist loslaten. De overgangen tussen periodes van opbouw en afbraak worden in het Engels ‘catastrophes’ en ‘rescues’ genoemd – rampen en reddingen. De groeiende microtubuli oefenen krachten uit op het inwendige van de cel, en deze krachten beïnvloeden op hun beurt weer de groei van de microtubuli zelf. Dogterom: “Microtubuli gaan bijvoorbeeld langzamer groeien als ze tegen het cel membraan aankomen. Biologen denken doorgaans dat dat komt door signaaleiwitten in de celwand.” Met behulp van het optisch pincet en speciaal gemaakte microstructuren, kan Dogterom de krachten meten die de microtubuli voelen – onder meer door naar de buiging van de buisjes te kijken. “Het blijkt dat de groei van de microtubuli zowel mechanisch als door signaaleiwitten wordt bepaald”, zegt Dogterom. “We gaan nu ons optisch pincet gebruiken om de invloed van die eiwitten vast te stellen.”

Biologie Toen bleek dat hij in Leiden kon samenwerken met echte biologen, zoals de moleculaire celbiologen uit de groep van Herman Spaink, besloot Thomas Schmidt van Linz (Oostenrijk) naar Leiden te verhuizen. “Onderzoek op het snijvlak van biologie en natuurkunde vind ik echt superspannend”, zegt hij. “Hier kan ik echte celbiologie doen met de technieken die ik ken uit de natuurkunde.” Schmidt maakte naar eigen zeggen een vliegende start: “Toen ik in Leiden kwam, stonden de dozen met apparatuur al klaar, die had ik vanuit Oostenrijk al besteld.” Met de hulp van een promovendus en een postdoc, die hij uit Linz meenam, werd in twee maanden een werkende opstelling in elkaar gezet. “Destijds bestond zoiets als een Vici nog niet, dus de SNOK-subsidie was heel belangrijk voor me.” Inmiddels staat Schmidt aan

35


het hoofd van een bloeiende onderzoeksgroep, aan de universiteit die hij leerde kennen in de tijd dat hij er als postdoc werkte. Om uit te vinden hoe eiwitten allerlei signalen binnen de cel doorgeven, verrichtte Thomas Schmidt pionierswerk op het gebied van ‘single molecule’ fluorescentiemicroscopie - een techniek waarmee de positie van moleculen veel preciezer te bepalen is dan met conventionele microscopie. Schmidt en zijn collega’s gebruiken daarvoor speciale fluorescente eiwitten, die onder de microscoop als een soort lampjes oplichten. Door die lampjes aan de signaaleiwitten te koppelen, kunnen de onderzoekers de bewegingen van deze eiwitten tot in detail volgen. Microdomeinen op het celmembraan In de groep van Thomas Schmidt wordt fluorescentiemicroscopie gebruikt om de bewegingen te volgen van eiwitten in het celmembraan. Dat membraan omsluit de cel als een soort huid en bestaat uit een dubbele laag vetmoleculen. Eiwitten die een rol spelen bij het doorgeven van signalen van buiten de cel naar het inwendige van de cel, kunnen zich langs het membraan bewegen. “Als je ervan uitgaat dat die signaaleiwitten homogeen verdeeld zijn over het celmembraan, dan zijn het er veel te weinig, ze komen elkaar nooit tegen om signalen door te geven.” De eiwitten moeten daarom wel samengepakt zijn in bepaalde gebiedjes. Schmidt plakte aan de signaaleiwitten een fluorescent molecuul dat dienst deed als een groen lampje. Vervolgens kon hij de bewegingen van de eiwitten heel nauwkeurig volgen. Aan het pad dat de eiwitten aflegden, was te zien dat ze op de een of andere manier opgesloten waren op een piepklein oppervlak. “Dat was nog niet eerder aangetoond”, zegt Schmidt trots. “We moeten nog wel uitzoeken hoe het komt dat de eiwitten hun gebiedjes niet kunnen verlaten.”

Buitenkansje Christoph Schmidt was van 1999 tot 2006 hoofd van de vakgroep Fysica van Complexe Systemen aan de Vrije Universiteit. Sindsdien is hij hoogleraar aan de universiteit van Göttingen (Duitsland). Voor zijn komst naar Amsterdam had de Duitser een goede positie aan de universiteit van Michigan. “Ik wilde misschien ooit terug naar Europa, maar ik had zeker geen haast”, zegt hij. Via 36

Figuur 9: Microtubule gevangen met twee optische pincetten: de rode kegels stellen laserbundels voor, waarin de blauwe bolletjes gevangen zitten. De microtubule is vastgeplakt aan de bolletjes en kan met de laserbundels worden bewogen. (Marileen Dogterom)

onder meer Marileen Dogterom hoorde Schmidt over Fysische biologie en de mogelijkheid om een nieuwe onderzoeksgroep op te zetten. “Er was duidelijk een interessante ontwikkeling gaande in Nederland. En het is natuurlijk heel kostbaar om vanuit niets een onderzoeksgroep op te starten. De SNOK-subsidie was dus echt een buitenkansje.” Hij besloot die kans te grijpen en naar Nederland te komen.

“Er was duidelijk een interessante ontwikkeling gaande in Nederland.” Met het geld kocht hij voornamelijk de apparatuur die nodig was om onderzoek te doen naar motoreiwitten en het cytoskelet – een netwerk van onder meer actinevezels en microtubuli, dat zorgt voor de stevigheid van de cel. Het cytoskelet vormt daarnaast ook het ‘wegennet’ waarover de motoreiwitten hun lading vervoeren. Een deel van de onderzochte motoreiwitten heeft twee ‘voeten’ waarmee ze letterlijk over microtubuli lopen. Op die manier trans37


porteren ze allerlei essentiële stoffen door de cel. Daarnaast bestaan ook motoreiwitten met vier voeten: die zijn in staat microtubuli langs elkaar te schuiven en spelen een belangrijke rol bij de celdeling. Om deze processen te bestuderen, worden aan de Vrije Universiteit diverse technieken gebruikt die ook elders in dit boekje beschreven zijn, zoals fluorescentiemicroscopie, het

“We zijn echt een centrum van nieuwe biofysica geworden.” optisch pincet (zie pagina 39) en de atomic force microscope (zie pagina 16). In een paar jaar bouwde Christoph Schmidt samen met zijn medewerkers Gijs Wuite en Erwin Peterman een groep op die al in 2004 door een visitatiecommissie werd beoordeeld als de beste natuurkundegroep in Amsterdam. “Dat is voor een groot deel te danken aan het feit dat FOM heeft besloten zich meer te richten op biofysica. Als ik in Amerika was gebleven had ik het veel moeilijker gehad, daar hebben ze die stap nog niet echt gezet.” Nieuwe biofysica De drie nieuwe onderzoekskernen hebben onderling veel contact. Zo komen ze elke twee maanden samen in het gebouw van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen in Amsterdam, samen met andere biofysici uit onder meer Delft, Twente en Wageningen. Prominente bezoekers en locale promovendi krijgen op de bijeenkomsten de mogelijkheid om hun onderzoeksresultaten te presenteren, waarna er uitgebreid wordt geborreld. Dat leidt tot een informele sfeer, die het uitwisselen van ervaringen vergemakkelijkt. Daarbuiten werken de groepen ook structureel samen. Dogterom: “Momenteel werkt er een promovendus gedeeltelijk bij mij, en gedeeltelijk in Leiden bij Thomas Schmidt. Dat werkt heel goed.”

38

Optisch pincet Een relatief nieuw instrument dat symbool staat voor de ‘nieuwe biofysica’ is het optisch pincet. Het bestaat uit een laserbundel die met een sterke lens in een brandpunt bijeengebracht wordt. In het brandpunt kan een piepklein bolletje gevangen worden. Als de positie van het brandpunt wordt bewogen, beweegt het bolletje mee. Je kunt biomoleculen zoals DNA aan het bolletje bevestigen door het in te smeren met een eiwit, dat dienst doet als lijm. Met het optische pincet is het bijvoorbeeld mogelijk om strengen DNA aan beide uiteinden vast te pakken, en het molecuul langzaam open te ritsen. Het bolletje wordt daarbij een beetje weggetrokken uit het brandpunt. Uit die verplaatsing kan de kracht worden bepaald die gepaard gaat met het openritsen. De grootte van het bolletje – ongeveer een micrometer – maakt dat het zichtbaar is onder een gewone microscoop, in tegenstelling tot het DNA. In de voormalige groep van Christoph Schmidt aan de VU zijn ze zelfs in staat om twee DNA-strengen beet te pakken en daarbij de een in een lusje om de ander heen te leggen. Het optisch pincet wordt gebruikt in allerlei experimenten om biomoleculen te manipuleren en om nauwkeurig de krachten te meten die betrokken zijn bij biologische processen in de cel.

Thomas Schmidt deelt het enthousiasme: “Zelfs in het buitenland hebben ze door dat er iets bijzonders gaande is in de Nederlandse biofysica. Dat komt zeker ook door de formele en informele contacten die zijn gestimuleerd door Fysische biologie. We zijn echt een centrum van nieuwe biofysica geworden.”

39


Bijlage: overzicht IOPRO’s

40

Titel

Aanvragers

oio/Postdoc

Investigating functional lipid domains in

Dr. M. Müller (UvA)

oio (UU)

biomembranes by CARS spectroscopy

Dr. K.N.J Burger (UU)

postdoc (UvA)

Prof.dr. B. de Kruijff (UU) Coherence in muscle contraction

Prof.dr. H.V. Westerhoff (VU)

oio (VU)

Prof.dr. C.F. Schmidt (VU) e.a.

postdoc (VU)

Electron tomography and 3D analysis of

Dr. J. Klumperman (UU)

oio (UU)

intracellular compartments

Dr. A.J. Koster (UU)

postdoc (UU)

Signalling cascades studied at the

Prof.dr. Th. Schmidt (LEI)

2 oio (LEI)

single-molecule level

Prof.dr. H. Spaink (LEI) Prof.dr. S. Völker (LEI) e.a.

Structural studies of large biomolecular

Dr. A Heus (RU)

oio (RU)

complexes

Prof.dr. H. van Kempen (RU) e.a

postdoc (RU)

Dynamic imaging and single-molecule

Prof.dr. R. Kanaar (EUR)

oio (TUD)

manipulation of DNA repair reactions

Prof.dr. C. Dekker (TUD)

postdoc (EUR)

Mechanosensing and chemical signalling

Dr. ir. Th. Smit (VU)

oio (VU)

in single osteocytes

Prof.dr. J. Klein Nulend (VU)

postdoc (VU)

based on EoI

Prof.dr. F.C MacKintosh (VU) Prof.dr. C.F. Schmidt (VU) Coding strategies of horizontal cells in

Dr. J.H. van Hateren (RUG)

oio (UvA)

the retina

Dr. M. Kamermans (UvA)

postdoc (RUG)

The role of supramolecular membrane

Prof.dr. C.G. Figdor (RU)

oio (UT)

complexes in the immune response

Prof.dr. N.F. van Hulst (UT)

oio (RU)

Prof.dr. Th. Schmidt (LEI) Forces and motion in cellulose

Prof.dr. A.M.C. Emons (WUR)

oio (WUR)

biosyntheses

Prof.dr. B.M. Mulder (AMOLF)

oio (AMOLF)

From the reaction center to the

Prof.dr. S.L. Völker (LEI)

oio (VU)

thylakoid membrane

Prof.dr. R. van Grondelle (VU)

oio (LEI)

Folding pathways on the potential

Prof.dr. S.M. van der Vies (VU)

oio (VU)

energy landscape of molecular

Prof.dr. R.M.A. Heeren (AMOLF)

oio (AMOLF)

chaperone complexes

Prof.dr. A.J.R. Heck (UU)

The structural basis of lipoprotein

Dr. K.W. Rodenburg (UU)

function

Dr. A.J. Koster (UU)

2 postdoc (UU)

41

Bijlage: overzicht IOPRO’s

A novel pacemaker mechanism involving

Dr. A.P.R. Theuvenet (RU)

multiple intracellular Ca2+ stores

Prof.dr. C.C.A.M Gielen (RU)

2 oio (RU)

Plant microtubule dynamics: focusing on

Prof.dr. A.M.C Emons (WUR)

oio (AMOLF)

preprophase band formation

Prof.dr. A.M Dogterom (AMOLF)

postdoc (WUR)

Prof.dr. Th.W.J. Gadella (UvA)

postdoc (UvA)

Prof.dr. B.M Mulder (AMOLF) Nucleoid structure and partitioning:

Dr. J.L. Snoep (VU)

oio (VU)

balancing physical forces for biological

Prof.dr. D. Frenkel (AMOLF)

postdoc (UvA)

function

Prof.dr. Th. Odijk (TUD)

postdoc (TUD/

Prof.dr. H.V. Westerhoff (VU)

UvA)

Dr. C.L. Woldringh (UvA) Towards analysis of cellular systems at

Prof.dr. R. van Driel (UvA)

oio (TU)

the single molecule level in the living

Prof.dr. J. Greve (UT)

postdoc (UvA)

cell

Dr. L. de Jong (UvA) Dr. J.M. Schins (UT)

Dynamics of adhesiosomes explored by

Prof.dr. N.F van Hulst (UT)

oio (UT)

near-field optical microscopy

Prof.dr. C. Figdor (RU)

postdoc (RU)

Lateral pressure and bio-membrane

Prof.dr. ir. B. Smit (UvA)

oio (UvA)

function

Prof.dr. B. de Kruijff (UU)

oio (UU)

Physics of DNA*

Prof.dr. R. Bruinsma (LEI)

postdoc (LEI)

* Onderdeel van afgebroken SNOK-project.

42

FOM-programma Fysische biologie I en II. Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek

Recommend Documents