Diemen (NL) – Het Nobelcomité heeft de Nobelprijs voor scheikunde 2002 toegekend aan drie chemici die nieuwe technieken ontwikkelden voor de opheldering van de structuur van grote biologische moleculen.
Sinds de jaren tachtig vormen massaspectrometrie en nucleair-magnetische resonantie steeds vaker de aangewezen techniek voor de opheldering van de structuren van eiwitten en andere biologische moleculen.
Massaspectrometrie is een scheiding van moleculen gebaseerd op lading en grootte. De baan van geladen deeltjes in een elektrisch veld of een magneetveld hangt af van zowel de grootte van de lading als de massa van het deeltje. In de jaren tachtig vormde de ontwikkeling van de elektrospraytechniek en de 'soft laser desorption' de basis voor de toepassing van massaspectrometrie op grote moleculen. John Fenn liet als eerste zien hoe hij eiwitten en polypeptiden met een massa van circa veertig kilodalton kon scheiden met een precisie van 0,01%. Deze techniek gebruikt een spray van positief geladen druppeltjes waarin de biomoleculen zijn opgelost. Het vocht verdampt en de geladen moleculen bewegen in een elektrisch veld naar een spleet. Uiteindelijk treffen ze een plaat. Omdat de lading van de moleculen kan variëren van twee tot wel veertig verschijnt een groot aantal pieken, elk voor een andere verhouding tussen massa en lading. Met grote precisie volgt uit zo'n grafiek de massa van het biomolecuul. De laatste jaren is de gevoeligheid van deze methode steeds verder toegenomen. Zelfs complexen van biomoleculen laten zich onder milde condities goed bestuderen.
Een doorbraak voor de toepassing van de laserdesorptiemethode op grote biomoleculen vormt de presentatie door Koichi Tanaka van de massaspectrometrische analyse van een intact eiwit. Tanaka slaagde erin om met een stikstoflaser gasvormige macromoleculaire ionen te maken. Die ionen laten zich vervolgens analyseren op de verhouding tussen massa en lading. De straling van deze laser heeft weinig energie en vernietigt daarom de gevoelige moleculen niet. De golflengte van dit laserlicht, 330 nanometer, wordt bovendien niet opgenomen door de aromatische aminozuren in eiwitten en peptiden.
De spectroscopie met nucleairmagnetische resonantie dateert uit de jaren vijftig. Moleculen bevinden zich bij deze meettechniek in een sterk magneetveld. Radiostraling met variërende golflengte brengt atomen met een magnetisch moment op een hoger energieniveau, waarna het terugvallen van de atomen naar het oorspronkelijke energieniveau wordt gemeten. De precieze frequentie vertelt iets over de omgeving van de atomen. De toepassing van de fouriertransformatie bij deze techniek betekende een belangrijke uitbreiding van de meetmogelijkheden, en leverde Richard Ernst in 1991 een Nobelprijs op. Eind jaren zeventig Kurt Wüthrich samen met Ernst aan nieuwe tweedimensionale NMR-methoden toepasbaar op macromoleculen. In de jaren tachtig toonde Wüthrich een nieuwe manier om met NMR de driedimensionale structuur van een klein eiwit in oplossing te verkrijgen. Daarbij combineerde hij een techniek die informatie geeft over protonen gebonden aan naburige koolstof- en stikstofatomen met een techniek die informatie geeft over protonen die zich in elkaars nabijheid bevinden. NMR kon daarna uitgroeien tot een volwaardige techniek voor de bepaling van de structuur van met name de kleinere biomoleculen, met een massa tot dertig kilodalton. Recent door Wüthrich ontwikkelde technieken bieden uitzicht op structuurbepalingen van eiwitcomplexen met een massa van wel negenhonderd kilodalton.
Erick Vermeulen
