Om te begrijpen hoe het komt dat een lichaamscel zich deelt, een hormoon uitscheidt of een signaal doorgeeft aan een andere cel, gebruiken biologen vaak een truc. Ze hangen een soort gekleurde lampjes aan de eiwitten die ze interessant vinden, zodat ze onder de microscoop de verplaatsingen en interacties van die eiwitten in levende cellen kunnen volgen. Hoe meer kleuren lampjes hoe meer processen tegelijk te volgen zijn.

In de jaren negentig gebruikten wetenschappers voor het eerst een fluorescerend eiwit als kleurcode in de cel. Dat eiwit was groen en kwam uit een fluorescerende kwal. Door te sleutelen aan dat groene eiwit volgden in de jaren daarop blauwe, turquoise en gele varianten. In de jaren 2000 werd een rood fluorescent eiwit ontdekt in koralen. Maar om daar een goed bruikbaar en fel rood lampje in de cel van te maken, was tot heden niet gelukt.

Creatie eiwit mScarlet

Hoogleraar Moleculaire cytologie Dorus Gadella en promovendi Daphne Bindels en Lindsay Haarbosch zijn er nu in geslaagd een spectaculair helder rood fluorescerend eiwit te maken. Ze doopten dat eiwit mScarlet en verwachten dat het door onderzoeksgroepen in de hele wereld zal worden gebruikt, bijvoorbeeld om inzicht te krijgen in verstoring van cellulaire processen die leiden tot de ongebreidelde celdeling in kankercellen. Gadella: ‘Zoals mensen de sterren bestuderen en een reis naar Mars voorbereiden, zo verkennen wij het universum van de eiwitten die de processen binnen cellen in ons lichaam besturen.’

De onderzoeksgroep maakte mScarlet door de genetische blauwdruk van allerlei rood fluorescerende eiwitten uit koralen te vergelijken. Ze zochten naar passages die consequent terug kwamen in die verschillende genetische codes, omdat die blijkbaar onmisbaar zijn. De groep plakte die essentiële stukken code aan elkaar, en liet vervolgens een complete DNA-streng synthetiseren door een bedrijf. Dat DNA brachten ze in een bacterie, die het vertaalde in een eiwit.

Ieder eiwit dat ze op deze manier produceerden, toetsten ze onder de microscoop op helderheid. Vervolgens sleutelden ze weer iets aan de DNA-code en keken ze wat dat met de helderheid deed. Zo voltrok zich een soort evolutie in het lab, tot Gadella en collega’s mScarlet te pakken hadden, het eiwit met de beste helderheid. 

Animatie molecuulstructuur eiwit mScarlet, door: dr. Marten Postma UvA.

Die helderheid komt goed van pas bij cellulaire microscopie, omdat het zorgt voor goede zichtbaarheid van de eiwitten die wetenschappers bestuderen. Bovendien blijkt mScarlet zijn functie als lichtbaken goed te kunnen vervullen, omdat het de functie van eiwitten waaraan het vastzit niet verstoort.

Samenwerking met onderzoekers Grenoble

Om mScarlet helemaal te doorgronden, stuurden de biologen hun rode creatie ten slotte naar het Institut de Biologie Structurale in Grenoble. Onder leiding van structuurbioloog Antoine Royant werd het Europese Synchroton ESRF, een van de krachtigste deeltjesversnellers ter wereld, gebruikt om de molecuulstructuur van het eiwit in kaart te brengen. Royant: ‘Daaruit bleek dat mScarlet zo helder fluoresceert, omdat het chromofoor - het gedeelte van het molecuul dat licht absorbeert en vervolgens rood uitzendt - mooi plat wordt gehouden door de manier waarop het eiwit er omheen zit gevouwen.’

Publicatiegegevens

Daphne S Bindels, Lindsay Haarbosch, Laura van Weeren, Marten Postma, Katrin E Wiese, Marieke Mastop, Sylvain Aumonier, Guillaume Gotthard, Antoine Royant, Mark A Hink &Theodorus W J Gadella Jr: ‘mScarlet: a Bright Monomeric Red Fluorescent Protein for Cellular Imaging’, in: Nature Methods. doi:10.1038/nmeth.4074.