Simpel rekentrucje werpt licht op eiwitten

Koster schrijft hierover in het blad ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ (PNAS), dat deze week verschijnt.

Koster (vakgroep moleculaire biofysica aan het Kavli-instituut) en zijn co-auteurs Chris Wiggins uit de Verenigde Staten en promotiebegeleidster Nynke Dekker, bedachten de analysetechniek terwijl ze onderzoek deden naar het eiwit topoisomerase. Dit enzym verwijdert draaiingen uit DNA, een proces dat altijd voorafgaat aan DNA-replicatie.

Topoisomerase doet dit stapsgewijs. Het knipt het DNA door, laat het even uittollen en plakt het weer vast. Het eiwit herhaalt deze handeling totdat de hele streng is afgewerkt. De hoeveelheid draaiingen die het enzym telkens uit het DNA haalt, wisselt sterk. Het kunnen er enkelen zijn, maar ook tientallen. Deze variatie is voor de onderzoekers interessant: het vertelt veel over hoe het enzym functioneert.

Probleem is dat het enzym dit soms zo goed doet, dat het in één keer alle windingen uit het DNA haalt. In dat geval weet je niet hoe ‘krachtig’ het enzym werkte. Het kan zijn dat het net sterk genoeg was om alle windingen eruit te halen, maar misschien had het nog veel meer gekund. De laatste stap van het enzym, levert dus een onbetrouwbaar beeld op en wordt om die reden door onderzoekers doorgaans niet meegenomen in analyses.

“Door het weglaten van deze gegevens ontstaat ook een vertekend beeld”, zegt Koster. “Als je het gemiddelde aantal kronkels wilt weten dat zo’n enzym eruit haalt, moet je die laatste stap op de een of andere manier zien te verwerken.” De onderzoekers bedachten daarom een analyse, gebaseerd op de reeds bestaande ‘Maximum Likelihood’-methode. Het gemiddelde aantal draaiingen dat het topoisomerase uit het DNA haalt wordt nauwkeurig bepaald, niet alleen door in de berekening de grootte van de stappen mee te nemen, maar ook het aantal draaiingen dat telkens overblijft in het DNA.

Volgens Koster kan zijn analysemethode gebruikt worden bij tal van onderzoeken. “Eiwitten die zich voortbewegen over korte strengen, in biofysische experimenten meestal RNA-moleculen, bereiken op een gegeven moment het einde van de keten. Je weet dan nooit hoeveel verder ze waren gegaan als de streng langer was geweest. Met ons model ondervangen we dit probleem.”

“Ter illustratie vergelijk ik moleculaire processen graag met alledaagse fenomenen. Je kunt bijvoorbeeld niet meer cola drinken uit een blikje dan er in zit. Dat je laatste slokje wellicht geen grote teug is, betekent niet dat je geen dorst meer hebt. Net zo min kan een enzym dat als functie heeft het verwijderen van kronkels uit DNA, meer kronkels verwijderen dan er in de DNA-streng zitten. Het zegt dus niet direct iets over de capaciteit van het enzym.”

Koster schrijft hierover in het blad ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’ (PNAS), dat deze week verschijnt.

Koster (vakgroep moleculaire biofysica aan het Kavli-instituut) en zijn co-auteurs Chris Wiggins uit de Verenigde Staten en promotiebegeleidster Nynke Dekker, bedachten de analysetechniek terwijl ze onderzoek deden naar het eiwit topoisomerase. Dit enzym verwijdert draaiingen uit DNA, een proces dat altijd voorafgaat aan DNA-replicatie.

Topoisomerase doet dit stapsgewijs. Het knipt het DNA door, laat het even uittollen en plakt het weer vast. Het eiwit herhaalt deze handeling totdat de hele streng is afgewerkt. De hoeveelheid draaiingen die het enzym telkens uit het DNA haalt, wisselt sterk. Het kunnen er enkelen zijn, maar ook tientallen. Deze variatie is voor de onderzoekers interessant: het vertelt veel over hoe het enzym functioneert.

Probleem is dat het enzym dit soms zo goed doet, dat het in één keer alle windingen uit het DNA haalt. In dat geval weet je niet hoe ‘krachtig’ het enzym werkte. Het kan zijn dat het net sterk genoeg was om alle windingen eruit te halen, maar misschien had het nog veel meer gekund. De laatste stap van het enzym, levert dus een onbetrouwbaar beeld op en wordt om die reden door onderzoekers doorgaans niet meegenomen in analyses.

“Door het weglaten van deze gegevens ontstaat ook een vertekend beeld”, zegt Koster. “Als je het gemiddelde aantal kronkels wilt weten dat zo’n enzym eruit haalt, moet je die laatste stap op de een of andere manier zien te verwerken.” De onderzoekers bedachten daarom een analyse, gebaseerd op de reeds bestaande ‘Maximum Likelihood’-methode. Het gemiddelde aantal draaiingen dat het topoisomerase uit het DNA haalt wordt nauwkeurig bepaald, niet alleen door in de berekening de grootte van de stappen mee te nemen, maar ook het aantal draaiingen dat telkens overblijft in het DNA.

Volgens Koster kan zijn analysemethode gebruikt worden bij tal van onderzoeken. “Eiwitten die zich voortbewegen over korte strengen, in biofysische experimenten meestal RNA-moleculen, bereiken op een gegeven moment het einde van de keten. Je weet dan nooit hoeveel verder ze waren gegaan als de streng langer was geweest. Met ons model ondervangen we dit probleem.”

“Ter illustratie vergelijk ik moleculaire processen graag met alledaagse fenomenen. Je kunt bijvoorbeeld niet meer cola drinken uit een blikje dan er in zit. Dat je laatste slokje wellicht geen grote teug is, betekent niet dat je geen dorst meer hebt. Net zo min kan een enzym dat als functie heeft het verwijderen van kronkels uit DNA, meer kronkels verwijderen dan er in de DNA-streng zitten. Het zegt dus niet direct iets over de capaciteit van het enzym.”