Op spoor van ijzer-sulfide verbindingen

Professor Dr. Antonio Pierik (v.l.n.r.), Professor Dr. Volker Schünemann, promovenda Christina Müller en Professor Dr. Michael Schroda werken samen in het Schwerpunktprogramma. (Foto: Koziel/TUK)

Rode bloedcellen kunnen dankzij hun ijzeren atomen zuurstof transporteren. Ook op andere plaatsen in onze cellen komt het metaal tot gebruik, zoals bijvoorbeeld in de vorm van verschillende ijzer-sulfverbindings. Ze zijn onder andere in enzymen en bij het transport van elektronen in cellen belangrijk. Aan de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) onderzoeken drie onderzoeksgroepen hun synthese en rol in de stofwisseling. De werken vinden plaats binnen het Schwerpunktprogramm (SPP) 1927 “Iron-Sulfur for Life” van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). De bevindingen kunnen bijvoorbeeld interessant zijn voor de biotechnologie, om nieuwe vormen van energieopwekking te ontwikkelen of werkzame stoffen te produceren.

Of het nu bij de ademhaling, de fotosynthese of andere stofwisselingsroutes is – ijzer-sulfcentra spelen in veel levensnoodzakelijke processen een centrale rol. “Deze centra zijn vaak ingebouwd in een groot eiwitcomplex,” zegt professor Dr. Antonio Pierik, die in het vakgebied Biochemie aan de TUK onderzoek doet. Ze zijn al vroeg in de evolutie ontstaan en komen voor bij bacteriën, schimmels, planten en dieren. Bij enzymen zijn ze bijvoorbeeld belangrijk om katalytische processen zoals de splitsing van suikermoleculen mogelijk te maken. Ook voor de energieproductie van de cel zijn ze essentieel, omdat via hen het transport van elektronen plaatsvindt en op deze manier energie in de vorm van moleculen kan worden opgeslagen.

In het kader van het SPP 1927 onderzoeken de Kaiserslauterse onderzoeksgroepen de exacte opbouw van deze centra en hoe ze in de eiwitten zijn ingebouwd. “Er zijn veel verschillende ijzer-sulfverbindings,” zegt Pierik. “We willen onder andere begrijpen hoe ze in de cel worden gesynthetiseerd.”

Bij hun onderzoek maken ze gebruik van speciale technieken: Hierbij maken de onderzoekers gebruik van de magnetische eigenschappen van ijzer. Het team rond Pierik gebruikt de zogenaamde elektronenspinsresonantiespectroscopie. Daarbij wordt microgolfstraling op het te onderzoeken monster gestuurd, dat zich tegelijkertijd in een magnetisch veld bevindt, waardoor de ijzer-elektronen worden aangespoord. Net als bij een vingerafdruk krijgen de onderzoekers bij de meting voor elk ijzer-sulfcentrum karakteristieke spectra.

Professor Schünemann en zijn werkgroep uit het vakgebied Biofysica en Medische Fysica gebruiken de Mössbauer-spectroscopie. “Dit is een analysemethode waarbij de absorptie van hoogenergetische röntgenstraling door de atoomkern van het ijzer wordt benut,” legt Schünemann uit. Met behulp van deze technieken krijgen beide teams daarna een precies beeld van de samenstelling van de metaalcentra.

Deze resultaten worden aangevuld door het werk van professor Schroda en zijn werkgroep uit het vakgebied Moleculaire Biotechnologie en Systeembiologie. Hier wordt massaspectrometrie ingezet. Bij deze methode worden de eiwitmoleculen geïdentificeerd en gekwantificeerd op basis van hun massa. In principe worden ze gewogen. “Net als bij een vingerafdruk heeft ook elk molecuul een karakteristieke waarde,” zegt professor Schroda.

Gezamenlijk krijgen de drie onderzoeksgroepen een nauwkeurig beeld van de ijzer-sulfverbindings en de eiwitcomplexen waarin ze zijn ingebouwd. Niet alleen voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor de biotechnologie zijn deze inzichten interessant, bijvoorbeeld voor de synthese van medische werkzame stoffen of voor nieuwe vormen van energieopwekking.

Het SPP wordt geleid en gecoördineerd door professorin Dr. Silke Leimkühler aan de Universiteit Potsdam. Het doel is om de exacte rol van de metalen te begrijpen en hoe deze de activiteit van de eiwitten beïnvloeden. Het programma bevindt zich nu in de tweede financieringsperiode. In de eerste fase waren professor Pierik en Schünemann betrokken. Zij ontvingen voor dit werk ongeveer 478.000 euro van de DFG. Nu is ook professor Schroda betrokken bij het project. Samen ontvangen de drie werkgroepen ongeveer 781.000 euro, zodat het onderzoek aan de TU Kaiserslautern binnen het kader van het SPP in totaal met ongeveer 1,26 miljoen euro wordt gefinancierd of wordt gefinancierd.

Vragen beantwoorden:

Prof. Dr. Antonio Pierik
Vakgebied Biochemie
Tel.: 0631 205-3421
E-mail: pierik(at)chemie.uni-kl.de

Prof. Dr. Volker Schünemann
Vakgebied Biofysica en Medische Fysica
Tel.: 0631 205-4920
E-mail: schuene(at)physik.uni-kl.de

Prof. Dr. Michael Schroda
Vakgebied Moleculaire Biotechnologie en Systeembiologie
Tel.: 0631 205-2697
E-mail: schroda(at)bio.uni-kl.de