‘Uit deze bonenplanten halen we de viruseiwitten die we gebruiken voor ons onderzoek’, zegt laboratoriumanalist Regine van der Hee, terwijl ze een aantal planten uit een bak pakt en het lab binnenbrengt. Ondanks dat ze geïnfecteerd zijn met een mozaïekvirus, zien de drie weken oude planten er verrassend gezond uit. Alleen vertonen sommige bladeren een gelige verkleuring in een vlekkerig, mozaïekachtig patroon.
De planten zijn essentieel om genoeg virus te krijgen voor het onderzoek van Cornelissen en zijn groep. ‘We infecteren de plant met het mozaïekvirus als hij ongeveer een week oud is door een mengsel van besmet plantenmateriaal en heel fijn zand over de bladeren te wrijven’, legt Cornelissen uit. ‘Op deze manier bootsen we de natuurlijke infectie na wanneer de wind de bladeren van geïnfecteerde planten tegen die van gezonde planten wrijft.’
‘Uit één kilogram plantmateriaal halen we minstens 100 milligram virus’
Na infectie vermenigvuldigt het virus zich in de plant en al na twee weken kunnen de planten worden geoogst om het virus eruit te halen. Een vrij eenvoudig proces, waarbij door stapsgewijs centrifugeren het virus uiteindelijk uit gehomogeniseerde planten wordt geïsoleerd. Van der Hee: ‘Uit één kilogram plantmateriaal halen we minstens 100 milligram virus, genoeg om een flink aantal eiwitomhulsels te verkrijgen voor onze experimenten.’
Unieke eiwitstructuren
Eiwitomhulsels zijn holle eiwitstructuren op nanoschaal waarbij een lege ruimte wordt omhuld door een eiwitmantel. Ze kunnen worden gebruikt om een verscheidenheid aan verbindingen in te pakken en te beschermen, waaronder nanodeeltjes of medicijnen. Omdat de eiwitmantel de inhoud afschermt van de buitenwereld, voorkomt dit afbraak van de ingepakte stof.
Wetenschappers kunnen zulke eiwitomhulsels maken door individuele eiwitten in de gewenste vorm in elkaar te zetten, of door ze te isoleren uit bijvoorbeeld virussen, zoals Cornelissen en zijn team momenteel doen. Na isolatie kunnen de onderzoekers deze viruseiwitten manipuleren tot de gewenste grootte en vorm die talloze mogelijkheden bieden, bijvoorbeeld voor het afleveren van medicijnen op specifieke locaties in het lichaam.
Fundamenteel onderzoek
Jeroen Cornelissen werkt al meer dan tien jaar met eiwitten en probeert grotere, unieke eiwitstructuren te bouwen met mogelijk unieke toepassingen. Virussen trokken al in een vroeg stadium van zijn fundamentele onderzoek zijn aandacht. Virussen zijn eenvoudige ‘entiteiten’ die bestaan uit genetisch materiaal, meestal RNA, dat is ingekapseld door een eiwitomhulsel.
‘Bij het bestudeerde plantenvirus bestaat dit omhulsel altijd uit precies 180 afzonderlijke eiwitten, gerangschikt in een regelmatig kippengaaspatroon’, legt Cornelissen uit. ‘We gebruikten dit ontwerp om eiwitmallen te bouwen en de toepassingen waren veelbelovend. In deze mallen konden we nanodeeltjes van exact dezelfde grootte maken.’ Een consistente vorm en grootte is cruciaal, omdat deze de eigenschappen van die deeltjes bepalen. Tijdens dit basisonderzoek leerden Cornelissen en zijn collega's meer over de samenstelling en het gedrag van viruseiwitten.
Hoe is de meestal ronde vorm ontstaan en welke fysische en chemische processen speelden daarbij een rol? Om meer inzicht te krijgen in de onderliggende cruciale mechanismen, begonnen de wetenschappers te experimenteren met het bouwen van eiwitstructuren in een reageerbuis. Door de eiwitbouwstenen te isoleren en de omstandigheden te manipuleren, konden de onderzoekers gemakkelijk lege eiwitbolletjes maken.
Cornelissen: ‘We leerden dat door de pH-waarde en het zoutgehalte te veranderen, zulke eiwitbolletjes spontaan ontstonden. Het idee ontwikkelde zich dat we deze kennis konden toepassen om de grootte en vorm van het eiwitomhulsel van het virus te manipuleren. Deze kunnen we dan vervolgens gebruiken om allerlei stoffen met verschillende vormen in te kapselen, zoals nanodeeltjes, maar ook medicijnen en gewasbeschermingsmiddelen.’
DNA-moleculen vouwen
Een van de basisprincipes die een virus in vorm houdt, zijn elektrostatische krachten: door tegengestelde ladingen, positief en negatief, die elkaar aantrekken, stabiliseren die de afzonderlijke eiwitten in de eiwitmantel. Maar deze krachten beïnvloeden ook de elektrostatische aantrekkingskracht tussen het eiwitomhulsel en het genetisch materiaal, RNA of DNA, in het virus. ‘De binnenkant van het eiwitomhulsel is positief geladen, terwijl het genetisch materiaal negatief geladen is’, legt Cornelissen uit. ‘Deze interactie is cruciaal om het virus intact te houden.’
Uit eerder onderzoek bleek dat het veranderen van de pH-waarde en het zoutgehalte de elektrostatische krachten kan veranderen, waardoor het eiwit van het RNA gaat scheiden. De wetenschappers waren vervolgens vooral geïnteresseerd in de mate waarin de resulterende eiwitomhulsels konden worden aangepast om verschillend gevormde materialen te verpakken.
‘We slaagden er zelfs in om een donutvorm te maken’
Ze testten dit door een mal te maken van DNA-moleculen, die ze nauwkeurig in verschillende vormen vouwden. Die mallen vormden vervolgens de basis voor de vorm van de eiwitomhulsels. ‘Dit lijkt erg op origami, waarbij een plat stuk papier in een driedimensionale vorm wordt gevouwen’, legt Cornelissen uit. ‘Door de juiste pH-waarde en zoutconcentraties toe te passen, konden we de elektrostatische krachten tussen de DNA-vorm en het viruseiwit zo manipuleren, dat het eiwitomhulsel zich spontaan om de verschillend gevormde DNA-vormen wikkelde.’
Robuuste assemblage
De opmerkelijke flexibiliteit van het eiwitomhulsel maakte het mogelijk ze in verschillende vormen te maken, door de vorm van de DNA-mal aan te passen: het eiwitomhulsel vouwde zich soepel rond bol- en buisvormig DNA. ‘We slaagden er zelfs in om een donutvorm te maken’, zegt Cornelissen. ‘Dit illustreert hoe robuust de assemblage eigenlijk is.’
Met behulp van een zogenaamde cryogene elektronenmicroscoop konden de wetenschappers de verschillende vormen zichtbaar maken. Toepassing van deze verschillende vormen in medische diagnostiek en therapieën is veelbelovend, bijvoorbeeld om medicijnen op specifieke locaties in het lichaam af te leveren. Aangezien de vorm bepaalt hoe gemakkelijk zo'n nanodeeltje de cel kan binnendringen, staven kunnen bijvoorbeeld effectiever een cel binnendringen dan bollen, kunnen wetenschappers ook de efficiëntie en snelheid van medicijnafgifte bepalen.
Eiwitomhulsels ontwerpen
Op dit moment werken de wetenschappers met virus-eiwitomhulsels, maar in de toekomst willen ze eiwitomhulsels zelf gaan ontwerpen en bouwen van individuele eiwitbouwstenen. Dankzij hun eerdere onderzoek hebben ze die kennis en ervaring. Deze zelf gefabriceerde eiwitomhulsels zouden nog meer medische toepassingen kunnen hebben.
‘Dit kan een krachtig hulpmiddel zijn om kanker te bestrijden’
‘We zouden bijvoorbeeld pH-gevoelige plastic onderdelen in het eiwitomhulsel kunnen inbouwen, die oplossen als de omgeving zuurder is’, legt Cornelissen uit. ‘Dit kan een krachtig hulpmiddel zijn om kanker te bestrijden: aangezien tumoren meestal een lagere pH-waarde hebben dan gezond weefsel, lossen de plastic onderdelen van de omhulling op, waardoor de inhoud, bijvoorbeeld een anti-tumormedicijn, op precies de juiste plek vrijkomt.’
Dit kan de manier veranderen waarop medicijnen aan patiënten worden toegediend en een effectievere behandeling met minder bijwerkingen mogelijk maken. Een andere toepassing is het verminderen van het gebruik van pesticiden door minieme hoeveelheden pesticiden in een omhulsel van viruseiwitten in te pakken en aan planten toe te dienen.
Cornelissen: ‘Virussen kunnen zich heel gemakkelijk tussen planten verspreiden als de wind de bladeren tegen elkaar wrijft. Op dezelfde manier zouden virus eiwithulzen, gevuld met kleine hoeveelheden bestrijdingsmiddelen, zich effectief over planten kunnen verdelen.
Terwijl het enorme potentieel van virus eiwithulzen in de toekomst opdoemt, is Van der Hee klaar met het homogeniseren van de bonenplanten. De volgende stap is om de intens groene vloeistof te gaan centrifugeren en de virussen eruit te halen voor een volgende reeks experimenten.
