Bij alle processen in ons lichaam zijn eiwitten betrokken. Biochemici Ruedi Aebersold en Matthias Mann brengen in kaart welke eiwitten in onze cellen aanwezig zijn en hoe die met elkaar samenwerken. Daarmee ontrafelen ze de ingewikkelde machinerie die ons lichaam bestuurt, en leggen ze de basis voor medicijnen die ingrijpen als deze processen verstoord zijn. Ze ontvangen hiervoor de Dr. H.P. Heinekenprijs voor de Biochemie en Biofysica 2024.
Eind vorige eeuw dachten biochemici: als we alle genen en hun functies in kaart kunnen brengen, dan begrijpen we hoe mensen, dieren en andere organismen werken. Dit bleek een utopie. De genen vormen slechts de blauwdruk voor eiwitten, en die eiwitten zijn de daadwerkelijke werkpaarden in onze cellen. En om biologische processen echt te doorgronden, is het niet voldoende om alleen die blauwdruk te bestuderen. Ruedi Aebersold, emeritus hoogleraar aan de technische universiteit ETH Zürich in Zwitserland, en Matthias Mann, hoogleraar aan het Max Planck-instituut voor Biochemie in Martinsried, realiseerden zich dat je ook het complexe samenspel tussen alle eiwitten moet onderzoeken. Daarmee stonden ze aan de basis van een nieuw vakgebied dat de verzameling van al die eiwitten bestudeert: de proteomica.
‘Aanvankelijk dacht men dat er een duidelijk pad was van een specifiek gen naar een specifieke functie’, vertelt Aebersold. ‘Een stukje DNA vormt de code voor een bepaald eiwit, en dat eiwit vervult een bepaalde functie in de cel, zo was de gedachte. Inmiddels weten we dat de biologie veel complexer is.’ De belangrijkste reden: één eiwit vervult niet één specifieke functie, maar werkt met allerlei verschillende eiwitten samen om verschillende functies te vervullen. ‘Je kunt het vergelijken met onze samenleving, zegt Aebersold. ‘Ook daarin hebben mensen verschillende rollen. Iemand is bijvoorbeeld biochemicus, vader en coach van een voetbalteam. In al die rollen werkt hij met andere mensen samen, en voert zo samen met anderen allerlei verschillende functies uit. Wij willen de eigenschappen van de 5 tot 10 miljard eiwitten in een cel in kaart brengen. Enerzijds willen we de kenmerken van de eiwitten weten: hoe zwaar zijn ze, wat is hun structuur? En daarnaast willen we weten hoe ze met elkaar samenwerken en welke functies ze met deze interacties uitvoeren.’
'AI holt het vertrouwen tussen wetenschapper en mens verder uit'
Felienne Hermans plaatste een kritische noot bij de AI-hype tijdens het Gala van de Wetenschap. Lees hier haar column.
Aebersold en Mann speelden een grote rol in het ontwikkelen van de technieken om dit mogelijk te maken. De eerste stap is identificeren welke eiwitten er in een cel aanwezig zijn. Eiwitten zijn lange ketens van twintig verschillende basisbouwstenen: de aminozuren. Die ketens zitten op een ingewikkelde manier in elkaar gevouwen. Een eiwit kun je identificeren door de volgorde van zijn aminozuren te achterhalen.
Een van de belangrijkste technieken waarmee je dat kunt doen, is massaspectrometrie. Eigenlijk is een massaspectrometer een fancy weegschaal. Maar als je de eiwitten als geheel ‘weegt’, geeft dit niet genoeg informatie over hun samenstelling. Je kunt hiermee niet de volgorde van de honderden tot duizenden aminozuren waaruit een eiwit bestaat bepalen. Daarom knippen biochemici de eiwitten eerst op in kleinere stukjes, peptiden genaamd. Daarvan bepalen ze de massa. Vervolgens hakken ze zo’n peptide ook weer in kleinere stukjes: willekeurige ketens van telkens een paar aminozuren. Ook hiervan bepalen ze de massa’s. Met behulp van al deze informatie kunnen ze de aminozuurvolgorde uitpluizen, en weten ze met welk eiwit ze te maken hebben.
Mann ontwikkelde het eerste algoritme om deze ingewikkelde puzzel op te lossen. ‘Het is heel lastig om uit al die verschillende massa’s van de eiwitfragmenten te bepalen hoe het eiwit precies in elkaar zit’, zegt hij. ‘Op een ochtend schoot me opeens te binnen hoe we dit zouden kunnen doen. Ik programmeerde het idee en het bleek te werken.’ Omdat de peptiden in willekeurige fragmenten worden gehakt, ontstaan er ook groepjes brokstukken die telkens maar één aminozuur van elkaar verschillen. Manns algoritme gaat op zoek naar zulke groepjes en reconstrueert met deze informatie stukjes van de aminozuurvolgorde. Vervolgens zoekt het in een database welke bekende peptide al deze volgordes bevat, en ook de juiste totale massa heeft. ‘Als ik terugkijk, is dit het belangrijkste moment uit mijn carrière geweest’, zegt Mann. ‘Dankzij dat algoritme zijn later heel veel belangrijke eiwitten ontdekt.’
Elektrische lading
Een massaspectrometer werkt compleet anders dan een keukenweegschaal. Een cruciaal onderdeel van massaspectrometrie is dat je de eiwitfragmentjes een elektrische lading geeft. Vervolgens versnel je ze met een elektrisch veld richting een detector, en meet je hoe lang ze over deze reis doen. Lichtere fragmenten zullen sneller richting de detector bewegen dan zwaardere fragmenten, en zo kun je nauwkeurig de massa van elk fragment bepalen.
Tijdens zijn promotie werkte Mann aan dit cruciale onderdeel: zorgen dat de peptiden een elektrische lading krijgen. ‘Mijn promotor, John Fenn, werkte aan een coole techniek om een vloeistof met moleculen te veranderen in een spray met elektrisch geladen moleculen. Niemand dacht destijds dat dit zou werken, maar ik dacht direct dat het heel opwindend zou zijn als het wél zou werken. Dan zou je dit bijvoorbeeld kunnen gebruiken om eiwitten te analyseren. Ik had zelf een achtergrond in de natuurkunde en in mijn ogen waren dit extreem complexe en interessante systemen. We werkten aan deze techniek, en uiteindelijk slaagden we erin deze geschikt te maken om eiwitten te analyseren. In 2002 ontving Fenn hiervoor de Nobelprijs voor Scheikunde.’
Een nadeel was dat je grote hoeveelheden van een bepaald eiwit nodig had, veel meer dan er bijvoorbeeld in een cel zitten. Daarom maakte Mann de techniek later in zijn eigen lab geschikt om heel kleine hoeveelheden eiwitten te bestuderen, zodat massaspectrometrie daadwerkelijk gebruikt kon worden om inzicht te krijgen in de eiwitten van levende systemen.
‘In eerste instantie was het doel van proteomica om overzichten te maken van alle verschillende eiwitten die bijvoorbeeld in een bepaald soort cel aanwezig zijn’, zegt Aebersold. ‘Maar nog interessanter is het om verschillen te vinden tussen gezonde en zieke cellen. Je wilt dan kunnen vergelijken hoevéél er in deze verschillende cellen van een bepaald eiwit aanwezig is.’ Het voldoet dan vaak niet om de twee monsters na elkaar door de massaspectrometer te sturen. Door de vele complexe verwerkingsstappen in een massaspectrometer haalt de ene keer een groter deel van de peptiden de detector dan de andere keer. Dat is geen probleem als je puur in kaart wilt brengen welke eiwitten aanwezig zijn, maar wel als je precies wilt weten hoeveel er van elk eiwit is.
Als je toch monsters met elkaar wilt vergelijken, dan kun je dit doen door gebruik te maken van isotopen. Dat zijn varianten van hetzelfde scheikundige element met een net iets andere massa. Aebersold ontwikkelde een methode om labels met lichte of zware isotopen aan de eiwitfragmenten te hangen. Hierdoor worden de eiwitfragmenten uit het ene monster net iets zwaarder dan de eiwitfragmenten uit het andere monster. Je kunt vervolgens beide monsters vermengen en samen door de massaspectrometer sturen. Van elke peptide meet je nu een nét iets lichtere en een nét iets zwaardere variant. Doordat ze tegelijk door de massaspectrometer zijn gegaan, kun je heel precies de aantallen van die verschillende varianten met elkaar vergelijken. En uiteindelijk kun je dan bepalen of een ziek persoon bijvoorbeeld meer van een bepaald eiwit in zijn cellen heeft. Mann ontwikkelde een variant op deze methode. Hierbij plaats je de eiwitten in een voedingsmedium en zorg je dat ze hun aminozuren vervangen door varianten gemaakt van lichte of zware isotopen.
‘Je kunt onze technieken voor alles gebruiken waar eiwitten bij betrokken zijn. En eiwitten zijn eigenlijk overal bij betrokken’
‘Met deze methoden kunnen we bijvoorbeeld de eiwitten in bloed bestuderen’, zegt Mann. ‘Die eiwitten staan in contact met je organen. Als je bijvoorbeeld een leverziekte aan het ontwikkelen bent, kunnen de hoeveelheden eiwitten in je bloed veranderen. Als we dat vroegtijdig kunnen signaleren, kun je je leefstijl veranderen en zo voorkomen dat je ziek wordt.’ Mann en zijn collega’s onderzoeken ook of ze in het bloed van zwangere vrouwen bijvoorbeeld miskramen kunnen zien aankomen, om ook hierbij vroegtijdig in te kunnen grijpen. ‘Het mooie is dat je onze technieken voor alles kunt gebruiken waar eiwitten bij betrokken zijn. En eiwitten zijn eigenlijk overal bij betrokken.’
‘Met isotooplabeling kun je ook meer dan twee monsters met elkaar vergelijken’, zegt Aebersold. In de eerste tien jaar van deze eeuw stegen de mogelijkheden en prestaties van massaspectrometers in rap tempo, maar er bleef een probleem: de massaspectrometer detecteerde altijd maar een deel van alle aanwezige peptiden. ‘In een menselijke cel zitten zo’n 12.000 verschillende eiwitten, en destijds wist een massaspectrometer genoeg peptiden te detecteren om zo’n 1000 à 2000 eiwitten te identificeren’, zegt Aebersold. ‘Dat was een gigantische prestatie, zeker als je bedenkt dat ik er tijdens mijn promotie een half jaar over deed om van één eiwit de aminozuurvolgorde te bepalen. Maar als je een heleboel monsters met elkaar wilt vergelijken, dan heb je een probleem: de massaspectrometer detecteert een willekeurig deel van de peptiden, en dat zijn daardoor niet altijd peptiden afkomstig van dezelfde 2000 eiwitten. Dat maakt het heel lastig om de hoeveelheden van bepaalde eiwitten met elkaar te vergelijken.’
Gericht meten
Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde Aebersold een techniek genaamd ‘gerichte proteomica’. Hierbij bepaal je van tevoren welke eiwitten je mee wilt nemen in je onderzoek, en stel je de massaspectrometer zo in dat hij gericht alleen deze eiwitten meet. ‘Op deze manier kon je heel nauwkeurig de hoeveelheden van de vooraf bepaalde eiwitten meten’, zegt Aebersold. ‘Dit bleek een heel krachtige methode, omdat die ons in staat stelde heel specifiek groepen eiwitten te bestuderen waarvan we wisten of vermoedden dat ze een rol speelden bij een bepaalde ziekte. We konden de hoeveelheden van die eiwitten heel consistent vergelijken tussen honderden monsters, om zo honderden patiënten met elkaar te vergelijken. Dit waren echter wel een stuk minder verschillende eiwitten dan je met de niet-gerichte methoden kon meten.’
Later ontwikkelde Aebersold met zijn collega’s een techniek die wél heel consistent grote aantallen verschillende eiwitten kon vergelijken. De grote verandering was dat de massaspectrometer eerst de peptiden één voor één in stukjes hakte en hun samenstelling bepaalde. De methode van Aebersold maakte het mogelijk om groepen peptiden tegelijk in stukjes te knippen en te analyseren. Je kunt je voorstellen dat dat een gigantische warboel aan gegevens oplevert. ‘Met de gangbare methoden kon je niets met de data die hieruit kwamen rollen’, zegt Aebersold. ‘Je weet dan de massa’s van fragmenten van zo’n honderd verschillende peptiden, maar je weet niet welke fragmenten bij elkaar horen. Om dit op te lossen hebben we algoritmen ontwikkeld die in die data op zoek gaan naar patronen die bij specifieke peptiden horen. Op die manier kunnen we van een heleboel peptiden tegelijk de identiteit bepalen.’ Dit maakt het mogelijk om de hoeveelheden van heel veel verschillende eiwitten van grote aantallen patiënten te vergelijken.
‘In eerste instantie was ik een beetje sceptisch over deze methode’, zegt Mann. ‘Dat hing ermee samen dat Aebersold en zijn collega’s deze methode gebruikten in combinatie met massaspectrometers die niet zo goed waren. Wij ontwikkelden in die tijd samen met een fabrikant een massaspectrometer die juist heel geschikt bleek voor deze techniek. We hebben toen onze krachten gebundeld en dat had een grote impact. Tegenwoordig gebruikt vrijwel iedereen in het onderzoeksgebied deze methode. Het was mooi dat, nadat we een lange tijd parallel hadden gewerkt, het werk van onze twee onderzoeksgroepen uiteindelijk samenkwam.’
Interactienetwerk
Om echt te begrijpen hoe eiwitten ons lichaam besturen, moet je ook hun interacties in kaart brengen. Eiwitonderzoekers gebruiken hiervoor een soort lokaastechniek. Hierbij maak je één van de eiwitten uit een cel vast aan een oppervlak. Vervolgens breng je alle andere eiwitten uit de cel hiermee in contact. De eiwitten die in ons lichaam normaal gesproken interactie vertonen met het lokaaseiwit, zullen hier nu een binding mee aangaan. Vervolgens stuur je het groepje gebonden eiwitten door de massaspectrometer, en zo kun je zien welke eiwitten er precies samenwerken met het lokaaseiwit. Je kunt dit telkens met een ander lokaaseiwit herhalen en zo het netwerk van alle interacties in kaart brengen.
Momenteel bestudeert Mann op deze manier de interacties tussen eiwitten van virussen. ‘We hebben dit al gedaan voor de eiwitten van het coronavirus, en willen dit samen met een paar andere onderzoeksgroepen gaan doen voor alle virussen die we kennen die mensen zouden kunnen infecteren. Dat zijn er zo’n 10.000. We hopen dat dat ons veel gaat leren over hoe deze virussen menselijke cellen binnendringen en beïnvloeden, en hoe we hierin kunnen ingrijpen.’
Ook Aebersold heeft veel onderzoek gedaan naar de interacties tussen eiwitten, onder andere in kankercellen. ‘We hebben kankercellen onderzocht uit cellijnen die al jaren in laboratoria worden gebruikt voor onderzoek’, zegt hij. ‘Sommige van die cellen bleken resistentie tegen salmonella te hebben ontwikkeld. De moleculaire machinerie die normaal zorgt dat een salmonellabacterie de cel kan binnendringen, was verstoord in deze cellen. Wij konden dit verklaren vanuit veranderingen in de interacties tussen de eiwitten.’ Aebersold denkt dat dit ook de richting is die het patiëntonderzoek op zal gaan. ‘Het begint met een patiënt waarin een bepaalde verandering is opgetreden, bijvoorbeeld een ziekte of resistentie tegen een medicijn. We hebben nu de technieken om dit soort veranderingen helemaal te herleiden tot de interacties tussen de eiwitten, en om hierop een behandeling te baseren.’
Mooie plaatjes
Niet alleen massaspectrometrie heeft de afgelopen decennia een grote vlucht genomen in biochemisch onderzoek, ook beeldvormingstechnieken worden in rap tempo beter. Hiermee kun je weefsels en cellen in steeds hogere resolutie driedimensionaal in beeld te brengen. ‘Veel mensen vinden een massaspectrum maar saai’, lacht Mann. ‘Onderzoekers die met deze beeldvormingstechnieken werken, kunnen heel mooie plaatjes maken. Maar je kunt ook zeggen: dat zijn ‘slechts’ mooie plaatjes. Ze kunnen bijvoorbeeld kankercellen in beeld brengen die er anders uitzien dan normale, maar weten dan niet wat die cellen precies doen.’
‘We ontrafelen nu langzaam maar zeker de complexiteit van levende systemen’
Mann en zijn collega’s proberen deze twee vakgebieden daarom samen te brengen. ‘Zo doen we bijvoorbeeld onderzoek naar melanoom. Met alle fancy beeldvormingstechnieken kunnen we eerst alle cellen in en rondom het melanoom in beeld brengen. Vervolgens kunnen we een aantal verschillende cellen uit het weefsel knippen, van buiten de kankerregio tot erbinnen, en de eiwitten daarin analyseren. Zo kunnen we het proces van normale cel naar kankercel in dezelfde patiënt volgen. We kunnen bijvoorbeeld zien dat een bepaalde signaleringsroute – een reeks van eiwitten die elkaar activeren – niet goed functioneert. Dan kunnen we een medicijn toedienen waarvan we weten dat het op precies die signaleringsroute inwerkt. Zo kun je voor iedere patiënt een specifieke behandeling maken. Ik hoop dat we dit over een jaar of vijf daadwerkelijk in het ziekenhuis kunnen toepassen.’
Een andere belangrijke medische toepassing van proteomica is Manns onderzoek naar allergische reacties van de huid op medicijnen. ‘Dit is gelukkig zeldzaam, maar sommige mensen krijgen hierdoor symptomen die vergelijkbaar zijn met ernstige verbranding’, zegt Mann. ‘Een derde van deze patiënten overlijdt hier zelfs aan. Men had geen idee waardoor deze reactie ontstond, en er was ook geen goede behandeling.’ Mann en zijn collega’s hebben aangetaste huidcellen van deze patiënten onderzocht, en ze zagen dat een specifieke signaleringsroute in de immuuncellen heel erg werd geactiveerd. ‘Voor deze signaleringsroute bleek al een medicijn te bestaan, dat werd gebruikt voor iets anders. Onlangs heeft een onderzoeksgroep in China hiermee acht patiënten met deze allergische reactie behandeld, en die zijn allemaal volledig hersteld. Zodra het medicijn in Europa wordt toegelaten voor deze ziekte, gaan dermatologen het hier ook gebruiken. Dit is een van de dingen waar ik het meest trots op ben: ik begon als fundamenteel natuurkundige, en nu kunnen we in het beste geval meehelpen om mensenlevens te redden.’
Ook Aebersold is trots op alle medische toepassingen die proteomica voortbrengt, maar benadrukt daarnaast ook het belang voor onze fundamentele kennis. ‘We beginnen nu langzaam maar zeker de complexiteit van levende systemen te ontrafelen’, zegt Aebersold. ‘Het is fascinerend hoe de evolutie deze enorme complexiteit heeft voortgebracht. We hebben inmiddels de tools in handen om die te ontcijferen en te proberen te begrijpen. Niet alleen bij mensen, maar bij de enorme diversiteit aan leven die er op aarde is.’
CV Ruedi Aebersold
Aebersold (Oberdiessbach, Zwitserland, 1954) studeerde cellulaire biologie aan de Universiteit van Basel in Zwitserland. Hij promoveerde hier in 1983, eveneens in de cellulaire biologie. Na postdoctorale posities aan het California Institute of Technology, werd hij in 1989 aangesteld als universitair docent aan de University of British Colombia in Vancouver. In 1993 vertrok hij naar Seattle, waar hij in 1998 werd aangesteld als hoogleraar in de moleculaire biotechnologie aan de University of Washington. In 2000 was hij in Seattle medeoprichter van het eerste instituut voor systeembiologie ter wereld. In 2004 verhuisde hij terug naar Zwitserland en werd hoogleraar systeembiologie aan de technische universiteit ETH Zürich. Sinds 2020 is hij emeritus hoogleraar. 
CV Matthias Mann
Mann (Thuine, Duitsland, 1959) studeerde natuurkunde en wiskunde aan de Georg August-universiteit in Göttingen. Hij promoveerde in 1988 aan de Yale-universiteit in de Verenigde Staten, in de chemische technologie. Na een postdoctorale positie aan de Zuid-Deense Universiteit, werd hij in 1992 groepsleider aan het European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg. In 1998 werd hij aangesteld als hoogleraar bio-informatica aan de Zuid-Deense Universiteit en sinds 2005 is hij directeur van het Max-Planck-instituut voor Biochemie in Martinsried. Sinds 2007 is hij tegelijkertijd directeur van het proteomicaprogramma aan de Universiteit van Kopenhagen. 
Heinekenprijzen
De Heinekenprijzen zijn de grootste internationale wetenschapsprijzen van Nederland. In 2024 vindt de 60-jarige jubileumeditie plaats die speciaal in het teken staat van de prijs waar het mee begon: de Dr. H.P. Heinekenprijs voor de Biochemie en Biofysica. In 1964 riep Alfred Heineken de prijs in het leven als eerbetoon aan zijn vader, Henry Pierre Heineken, opgeleid biochemicus.
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met de Stichting Alfred Heineken Fondsen.