VU wetenschappers verbeteren fluorescentie-eigenschappen fytochroom

Gemuteerd fluoresecent eiwit van groot belang voor biomedisch onderzoek
De fluorescente eigenschappen van het eiwit fytochroom kunnen door gerichte mutaties worden verbeterd. Het eiwit kan daardoor uitstekend worden gebruikt voor onderzoek naar weefsels en organen. Dit ontdekten VU-natuurwetenschapper John Kennis en medewerkers. Het onderzoek verschijnt deze week in PNAS.

Fluorescente eiwitten hebben het afgelopen decennium voor een revolutie gezorgd in de celbiologie. Door deze vast te knopen aan een ander eiwit kan de functie in beeld gebracht worden met behulp van fluorescentie-microscopie in de levende cel. Om weefsels en organen af te beelden zijn de eiwitten minder geschikt omdat de kleur van het fluorescentielicht (groen, geel of oranje) wordt geabsorbeerd of verstrooid. Het ‘nieuwe’ fluorescent eiwit fytochroom licht op in het infrarood bij 720 nm, een golflengte die diep in weefsel kan doordringen. Daarbij komt dat biliverdine, het lichtgevoelige molecuul van fytochroom, van nature voorkomt in bloed en weefsel. Hierdoor kan fytochroom genetisch gecodeerd worden in het organisme dat je wil bestuderen: zodra fytochroom tot expressie gebracht wordt in cellen en weefsels pikt het een biliverdine molecuul op uit zijn omgeving en wordt fluorescent. Fytochroom is dus van groot potentieel belang voor biomedisch onderzoek en technologie.

Fytochroom heeft echter geen sterke natuurlijke fluorescentie: de fluorescentie-opbrengst is ten hoogste enkele procenten. John Kennis en medewerkers van de Afdeling Natuurkunde van de Vrije Universiteit hebben, samen met collega’s van de University of Chicago, het mechanisme blootgelegd dat verantwoordelijk is voor de lage fluorescentie-intensiteit van fytochroom. Ze hebben laten zien dat de fluorescentie-opbrengst van fytochroom wordt bepaald door protonoverdracht van het lichtgevoelige bilverdine-molecuul naar de eiwitomgeving door een uitgebreid netwerk van waterstofbruggen. Negentig procent van de fluorescentie gaat hierdoor verloren. Door een combinatie van gevoelige laserspectroscopie, genetische modificatie aan het fytochroom en slimme analysemethoden hebben Kennis c.s. dit mechanisme aangetoond. Met deze nieuwe kennis kunnen de fluorescentie-eigenschappen van fytochroom verbeterd worden door gerichte mutaties in het fytochroom-eiwit aan te brengen.

De figuur toont het actieve deel (‘active site’) van fytochroom, een biliverdine chromofoor en de interacties met het eiwit. Vanwege zijn infrarode fluorescentie heeft fytochroom superieure eigenschappen bij het afbeelden van weefsels en organen. John Kennis en medewerkers hebben aangetoond dat de fluorescentie opbrengst van fytochroom wordt bepaald door protonoverdracht van het lichtgevoelige biliverdine-molecuul (goudbruin) naar de eiwitomgeving middels een uitgebreid netwerk van waterstofbruggen (rood oplichtend). Met deze nieuwe kennis kunnen de fluorescentie-eigenschappen van fytochroom verbeterd worden door gerichte mutaties in het fytochroom-eiwit aan te brengen.