Tumorcellen ontrafeld
Kijken naar de mondjes van cellen
Toen Cristina Paulino tien jaar geleden tijdens haar PhD in Zürich kennismaakte met cryo-EM, nam nog niemand haar serieus. De revolutionaire microscooptechniek die het mogelijk maakte bevroren preparaten een miljoen keer te vergroten, stond nog in de kinderschoenen. ‘Het was nog een heel klein vakgebied van een paar fanatieke nerds. Niemand nam cryo-EM echt serieus, ze noemden ons wel “blob-ologists”.’
Lichtmicroscopie versus cryomicroscopie
Een ‘gewone’ lichtmicroscoop bijvoorbeeld, gebruik je voor een vergroting van tien tot duizend keer. Met zo’n vergroting wordt een luis van drie millimeter opeens een monster zo groot als een auto. Genoeg om cellen mee te bekijken, maar de structuren in de cel kun je er nauwelijks mee onderscheiden.
Vergrotingen van meer dan tweeduizend keer zijn met een lichtmicroscoop echter niet mogelijk. Je hebt geen scherp beeld meer.
Met een elektronenmicroscoop kan dat wel. Een elektronenmicroscoop kan meer dan een miljoen keer vergroten; de luis wordt dan een superinsect zo groot als een heel continent. Dit lukt echter alleen onder ‘cryogene’ condities: het preparaat is snel bevroren en wordt in de microscoop bewaard in een vacuüm bij temperaturen onder -180 °C.
Logisch ook. Cryo-EM was misschien veelbelovend, maar nog hopeloos onnauwkeurig. ‘Omdat je op heel kleine schaal kijkt, maakt elke kleine beweging het beeld direct onscherp.’
Toch vond ze het een fascinerend vakgebied. ‘Er waren veel uitdagingen te overwinnen, maar dat past wel bij mij. Ik houd van uitdagingen.’ Bovendien vond ze de kleine community van het vakgebied wel leuk. ‘Er is veel samenwerking, er wordt veel gedeeld. Het was leuk om daar deel van uit te maken.’
Resolutierevolutie
Toch twijfelde Paulino of ze wel door wilde met cryo-EM. ‘Maar toen, zo’n vier jaar geleden, begon de resolutierevolutie. Dankzij verbeterde camera’s werd de techniek opeens veel beter. De belofte die sommige cryo-EM’ers al jaren zagen, kon opeens werkelijkheid worden.’
Het beeld dat de cryo-electronenmicroscoop oplevert, werd zo scherp dat kleine eiwitten die altijd onzichtbaar waren gebleven plotseling in beeld gebracht konden worden. Daarmee werd het ook mogelijk hun structuur te ontrafelen – met een enorm wetenschappelijk potentieel.
Logisch dat steeds meer universiteiten zo’n microscoop van miljoenen euro’s wilden aanschaffen. ‘Maar er zijn maar weinig mensen die er goed mee kunnen werken.’ Daarom werd Paulino vanuit Zürich naar Groningen gehaald. ‘Ik werd hier assistant professor en heb veel verantwoordelijkheid.’
Er zijn maar weinig mensen die er goed mee kunnen werken
Het is een mooie uitdaging voor de structuurbiologe. ‘Ik moet nu bewijzen dat ik het waard ben.’ Maar gezien het feit dat haar werk al in de eerste maanden leidde tot publicaties, onder andere in het tijdschrift Nature Structural & Molecular Biology, zit dat wel goed. ‘Dat is heel snel, er gebeurt hier veel,’ zegt ze glunderend.
Medicijnen
Paulino gebruikt haar microscoop vooral om te helpen bij de ontwikkeling van medicijnen. Ze focust zich daarbij op speciale eiwitten aan de buitenkant van een cel.
Resolutie en rekenkracht
Dat cryo-EM opeens zo groot werd, kwam vooral door twee doorbraken. Allereerst zorgden betere camera’s voor een veel stabieler beeld. Omdat je bij cryo-EM op heel kleine schaal kijkt, zorgt elke kleine trilling al voor een verstoring van het beeld. De snellere camera’s van de laatste jaren kunnen beter voor deze trillingen corrigeren.
Daarnaast is de rekenkracht van de computers sterk verbeterd. Met cryo-EM maak je een foto van een bevroren oplossing, waarin eiwitten zweven. Je maakt vaak beelden van hetzelfde eiwit, maar steeds van een andere kant. Alsof je allerlei foto’s hebt van kleine stukjes van een huis.
De computer moet vervolgens al die stukjes aan elkaar plakken tot een 3D-beeld van zo’n eiwit. Paulino’s groep kan in één dag tot twee terabyte (twee miljoen megabyte) aan data genereren. Dat vraagt veel opslagruimte en geheugen.
Die cellen kun je vergelijken met kleine, ronde beestjes. Aan de buitenkant van zo’n beestje zitten gaten: een mond bijvoorbeeld. Daardoor kunnen stoffen het beestje in en uit. Als je het beestje wilt uithongeren, moet je een manier vinden om zijn mond dicht te plakken. Dat kan pas als je weet hoe die mond eruit ziet, zodat je passend tape kan zoeken.
Onze cellen zijn net als die beestjes, met openingen gemaakt van eiwitten waar stoffen doorheen kunnen. ‘Ik ben geïnteresseerd in die eiwitten’, legt Paulino uit. ‘Als we weten hoe die er precies uitzien, kunnen we medicijnen ontwikkelen die die poorten beïnvloeden.’
Tumorcellen
In de afgelopen tien maanden kon Paulino onder andere een belangrijk eiwit voor tumorcellen in beeld brengen. Een tumor is net een agressief beestje in het lichaam. Als je die de mond kunt snoeren zodat hij niet meer kan eten, kan de tumor misschien sterven.
‘Samen met mijn collega’s Albert Guskov en Dirk Slotboom onderzocht ik zo’n opening in tumorcellen die verantwoordelijk is voor de opname van de voedingsstof glutamine. Doordat wij de structuur van het transporteiwit goed in beeld konden brengen, kunnen farmaceuten nu op zoek naar een medicijn dat precies op die ‘monden’ van de tumorcellen past.’
Bij het opzetten van de nieuwe generatie van cryo-EM hebben Paulino en haar groep in de laatste tien maanden vooral geïnvesteerd in de samenwerking met collega’s. ‘Zij hebben al een biochemisch interessant eiwit beschreven, wij brengen die met cryo-EM in beeld en ontrafelen de structuur.’
Farmaceuten kunnen nu op zoek naar een medicijn dat op de ‘monden’ van de tumorcellen past
Toch wil ze in de toekomst ook weer meer eigen onderzoek doen en zelf eiwitten karakteriseren. Niet alleen onder de microscoop, ook in het lab. ‘Membraaneiwitten, de deuren van cellen dus, fascineren me. Ik wil altijd weten wat er in uit en komt en hoe dat gebeurt.’
Genezen
Paulino voert het liefst zowel fundamenteel onderzoek als toegepast onderzoek uit. ‘Het is interessant om die kanalen beter te leren kennen. Ik wil graag begrijpen hoe ze werken en zijn ontstaan. Dat heeft niet direct een duidelijke toepassing, maar er is in de wetenschap veel ontdekt door gewone nieuwsgierigheid.’
Tegelijkertijd ziet ze ook wel het nut van toegepast onderzoek dat is gebaseerd op de structuren van eiwitten. ‘Voor de werking van een eiwit is die structuur belangrijk. Dat is als het kennen van de blauwdruk van een machine. Als we de structuur van eiwitten op de buitenkant van cellen kennen, dan kunnen we medicijnen ontwikkelen die ziekten kunnen genezen.’