Met een moleculair zaklampje kijken wetenschappers in cellen
In dit artikel:
Onder een microscoop zijn cellen zonder hulpmiddelen vaak vrijwel onzichtbaar, maar met fluorescerende eiwitten veranderen ze in kleurrijke, informatieve landschappen. Het bekendste voorbeeld is GFP (green fluorescent protein), ontdekt in de jaren zestig bij de kwal Aequorea victoria door Osamu Shimomura. Pas decennia later leerden onderzoekers GFP aan andere eiwitten vast te plakken, waardoor die eiwitten in levende cellen gevolgd kunnen worden — een doorbraak waar Martin Chalfie en Roger Tsien in de jaren negentig groot in waren en die hen in 2008 de Nobelprijs opleverde.
Onderzoekers zoals Dorus Gadella (Universiteit van Amsterdam) gebruiken deze techniek om cellen letterlijk te “verlichten”. Door het gen voor een fluorescerend eiwit in het DNA op te nemen, maken cellen zelf fusie-eiwitten met een ingebouwd lampje. Dat werkt als een biologisch label: de cel bouwt het eiwit met het fluorescentie-deel mee en het gedrag van het doelwit-eiwit blijft grotendeels intact. Daardoor kun je processen in levende cellen filmen — eiwitten die over “snelwegen” door de cel schieten, organellen die bewegen, of complete ontwikkelingsprocessen zoals een groeiend zebravisembryo dat cel voor cel oplicht.
Het palet is intussen veel breder dan alleen groen. Wetenschappers creëerden varianten in cyaan, geel, oranje en rood, verbeterden photostability en ontwierpen felle labels zoals mScarlet (ontwikkeld in Gadella’s lab). Met meerdere kleuren tegelijk kun je verschillende eiwitten parallel volgen; combinaties en timingvarianten maken het mogelijk tientallen componenten uniek te taggen. Harvard-onderzoekers gingen nog verder met brainbow-technieken: door neuronen elk een unieke mix van fluorescerende eiwitten te geven, ontstaan kleurrijke kaarten waarin individuele axonen en vertakkingen te onderscheiden zijn — in één experiment tot tientallen neuronen afzonderlijk te volgen.
Fluorescentie is geen kunstje beperkt tot het laboratorium. Veel dieren vertonen natuurlijke fluorescentie—van koralen en vissen tot sommige vogels en zoogdieren—en zelfs in museale opgezette dieren is die gloed zichtbaar. In het laboratorium gebruiken wetenschappers die eigenschap niet alleen om plaatjes te maken, maar om functionele vragen te beantwoorden: waar bevindt een eiwit zich precies, hoe snel diffundeert het, wanneer wisselt het tussen actief en inactief?
Voor zulke vragen bestaan specifieke meetmethodes. FRAP (fluorescent recovery after photobleaching) meet bijvoorbeeld hoe snel eiwitten terugbewegen naar een gebied dat je met een laser tijdelijk hebt geblest; andere opstellingen koppelen twee kleuren aan één eiwit om activiteitstoestanden te volgen. Voor beeldscherpte voorbij de klassieke lichtmicroscopische limiet gebruiken onderzoekers ‘lichttrucs’: door maar enkele fluorescerende deeltjes per beeldronde te activeren en over duizenden rondes hun exacte posities te bepalen, kun je resoluties bereiken tot tientallen nanometers (technieken zoals STED en single-molecule localization).
De praktische uitkomsten zijn groot: meer dan de helft van het celbiologisch onderzoek maakt inmiddels gebruik van fluorescentie-labelling. De techniek heeft bijgedragen aan belangrijke medische toepassingen en onderzoekslijnen, zoals de ontwikkeling van gentherapieën (onder andere voor SMA), immuuntherapieën tegen kanker en de snellere ontwikkeling van mRNA-vaccins. Daarnaast stimuleert de visuele informatie nieuwe vragen en experimenten — de kleurrijke beelden leveren niet alleen mooie plaatjes op, maar concrete hypotheses over mechanische en dynamische processen in cellen.
Creativiteit speelt een sleutelrol: van het branden van microscopische logo’s in kernen van cellen tot het ontwerpen van labels die weinig verbleken of die opzettelijk uitgaan om specifieke metingen mogelijk te maken. Kortom, fluorescerende eiwitten vormen een uitgebreide toolkit waarmee wetenschappers levende cellen, organen en hele organismen zichtbaar en meetbaar maken. De esthetische impact van de beelden is een aantrekkelijke bijvangst, maar de echte waarde ligt in het fundamentele inzicht dat deze “biologische lampjes” ons geven in hoe leven op cellulair niveau functioneert.