Op 10 december ontvangen de wetenschappers Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson de Nobelprijs voor Scheikunde. Zij krijgen de prijs voor de ontwikkeling van ijskoude elektronenmicroscopie (Cryo-EM). Dankzij hen kunnen we nu scherpe foto’s maken van kleinere structuren dan ooit tevoren, zoals van virussen en eiwitten. Dit is voor ons als microbiologen goed nieuws. Onderzoek naar bijvoorbeeld bacteriën wordt veel makkelijker als we ze gewoon kunnen zien, bloggen Lizah van der Aart en Anne van der Meij.
Hoe weten bacteriën waar ze eten kunnen vinden als ze geen neus hebben? Hoe komen ze überhaupt bij het eten? Hebben bacteriën eigenlijk wel richtingsgevoel? We hebben veel vragen over deze kleine organismen. Die zouden makkelijker te beantwoorden zijn als we ze gewoon kunnen zien. Maar dat is bijzonder lastig.
Als je een voedingsbodem met bacteriën bekijkt, de bacteriën op de eerste foto bijvoorbeeld, kun je hun rode kleur zien. Een duidelijk teken dat ze groeien. Maar verder weet je nog steeds niet zo goed hoe ze eruit zien. Zijn ze rond, spiraalvormig, of lijken ze meer op een staafje? De tweede foto geeft weer wat we zien als we door de microscoop kijken. We zien een bacterie in de vorm van een staafje. Nu weten we al iets meer over deze bacterie. Maar als we meer eigenschappen willen verzamelen, moeten we nog veel kleinere structuren kunnen zien. Hiervoor is een elektronenmicroscoop nodig. Die laat weliswaar veel kleinere structuren zien, maar brengt zijn eigen problemen met zich mee.
Gevangen in plastic
De elektronenmicroscoop werkt alleen in een vacuüm. Anders botsen elektronen met de lucht en niet meer met de bacterie. Dit betekent dat er geen lucht en ook geen water aanwezig mag zijn. In een vacuüm verdampt al het water en als dit heel plotseling gebeurt, gaat je bacterie kapot. Het probleem is dat al het leven water nodig heeft. Met andere woorden: zonder water ziet een bacterie er anders uit. Conclusie: je moet hem flink onder handen nemen, wil je er met de elektronenmicroscoop iets van kunnen zien. Dit kan bijvoorbeeld door een bacterie te vangen in plastic. Vergelijkbaar met een insect ingegoten in hars. Hij kan niet meer bewegen en we kunnen hem heel mooi in dunne plakjes snijden. Die plakjes kunnen we vervolgens bekijken onder de elektronenmicroscoop.
Maar je kunt je voorstellen dat ook deze behandeling ervoor zorgt dat het monster of sample er heel anders uit gaat zien. Ongeveer zoals chips zich verhouden tot een aardappel. Chips hebben nog een aantal kenmerken van de aardappel, maar door snijden en frituren zijn ze wel degelijk veranderd. Gelukkig hebben drie wetenschappers een nieuwe manier gevonden om samples zodanig te prepareren voor de elektronenmicroscoop, dat er minder veranderingen optreden. En dat heeft hen de Nobelprijs voor Scheikunde opgeleverd.
Winnaars Nobelprijs voor Scheikunde 2017 (Beeld: N. Elmehed. © Nobel Media 2017)
Pionier van de elektronenmicroscoop
De eerste wetenschapper die een eiwit, één van de allerkleinste structuren in een bacterie, heeft bekeken, is Richard Henderson van de Universiteit van Cambridge, Engeland. Vroeger was het nodig om kristallen te vormen van eiwitten als je wilde weten hoe ze eruit zien. Die kristallen zijn vergelijkbaar met zoutkristallen. Een eiwitkristal bestaat uit een verzameling van dezelfde eiwitten en kan helpen de vorm te bepalen. Maar het eiwit dat dat Henderson bekeek, wilde maar geen kristallen vormen. Dus zocht hij een andere methode om het te bestuderen. Als een van de eersten in zijn vakgebied gebruikte hij daarvoor de elektronenmicroscoop. Hij gebruikte in het vacuüm geen plastic, maar beschermde zijn eiwitten met stroperige glycerol.
Scherpe foto’s
Richard Henderson merkte dat de foto’s van zijn eiwit niet heel duidelijk waren. En hij bleek zijn eiwit telkens op een andere manier te fotograferen. Het is nu eenmaal moeilijk een eiwit onder een microscoop altijd op precies dezelfde manier neer te leggen.
Hiervoor heeft Joachim Frank, nu werkzaam bij de Colombia University in New York, een oplossing gevonden. Hij ontwikkelde een computerprogramma waarmee hij van een grote verzameling onduidelijke plaatjes één haarscherp beeld kon maken. Wetenschappers nemen dus een paar honderd foto’s van eenzelfde molecuul en combineren die tot een enkel en duidelijk beeld.
Bevroren structuren
De toevoeging ijskoud, of Cryo, aan het woord elektronenmicroscoop, hebben we te danken aan Jacques Dobuchet van de Universiteit van Lausanne, Zwitserland. Hij ontdekte dat zijn samples in een vacuüm niet uitdrogen als ze eerst zijn bevroren in vloeibare ethaan, met een temperatuur tot -196 graden Celcius. Dit proces is te zien in het vierde plaatje van de strip hierboven. Water bevriest dan zo snel dat het geen kristallen vormt. IJskristallen hebben de vervelende eigenschap cellen te beschadigen. Dat zie je soms al als je groenten invriest. Ook hoef je je monsters niet langer in te gieten in plastic, zolang ze maar heel koud blijven. De kou zorgt er bovendien voor dat je sample niet meer beweegt.
Doorbraak
Welke problemen kunnen we nu met deze nieuwe technieken oplossen? Cryo-EM heeft volgens het comité dat de Nobelprijzen toekent, een belangrijke bijdrage geleverd aan het onderzoek naar het zika-virus. Het afgelopen jaar zijn voor het eerst foto’s gemaakt van dit virus. Wetenschappers proberen aan de hand daarvan te ontdekken waarom mensen er zo ziek van worden. Ze willen ook weten hoe het virus verschilt van andere virussen. Een belangrijke rol voor de ijskoude elektronenmicroscopie dus.
Wij hebben het geluk samen te werken met Ariane Briegel, hoogleraar Ultrastructuurbiologie aan de Universiteit Leiden. Zij gebruikt deze techniek om te kijken hoe Vibrio cholera, de bacterie die cholera veroorzaakt, zijn voedsel vindt. Met Cryo-EM kan hoogleraar Briegel de zogenoemde chemoreceptor, de neus van de bacterie, laten zien. Met die chemoreceptor kunnen bacteriën een voedingsbron ruiken en er vervolgens naartoe zwemmen. Door te kijken naar de manier waarop die receptoren onder verschillende omstandigheden veranderen, wil ze uitzoeken hoe de cholerabacterie zich aanpast aan zijn omgeving en overleeft als er weinig voedsel is.
Chemoreceptor van de cholerabacterie (Foto: Ariane Briegel, Universiteit Leiden)
Want als je micro-organismen uitvergroot, gedragen ze zich net als dieren en mensen. Net als wij hebben ze honger en zoeken een manier om voedsel te vinden. Helaas voor ons zijn wij soms hun voedsel, maar dat kun je die beestjes niet echt kwalijk nemen.
Nobelprijs
De drie Nobelprijswinnaars voor Scheikunde hebben er samen voor gezorgd dat ons onderzoek met de elektronenmicroscoop vele malen makkelijker is geworden. Door de combinatie van het invriezen van een bacterie waardoor je meteen een foto kan maken, en het computerprogramma dat honderden onscherpe foto’s combineert tot een haarscherpe foto, is het nu mogelijk om naar heel kleine structuren te kijken. Met dank aan deze wetenschappers weten we nu: elektronenmicroscopie blijkt een koud kunstje.
