Use case: Communicatie tussen cellen zichtbaar gemaakt(Publicatie)

Cryo-elektron-microscopie: relatief nieuwe en revolutionaire technologie Scheikundigen Bert Janssen en Dimphna Meijer van de Universiteit Utrecht onderzoeken de eiwitten die communicatie tussen hersencellen mogelijk maken. Deze minuscule deeltjes worden in beeld gebracht met een cryo-elektronenmicroscoop. Een miljoen opnames worden met behulp van de Nationale Supercomputer gecombineerd tot een driedimensionaal beeld.

download
22 OKT 2018


Bert Janssen en Dimphna Meijer

Gesprek tussen hersencellen

Communicatie tussen de cellen in onze hersenen is essentieel voor het functioneren van ons brein en de ontwikkeling ervan. Dit ‘gesprek’ wordt meestal mogelijk gemaakt door proteïnen (eiwitten). De onderzoeksgroep Crystal and Structural Chemistry van dr. Bert Jansen aan de Universiteit Utrecht onderzoekt hoe deze eiwitsystemen signalen initiëren en omzetten tussen de cellen in onze hersenen.

Gezonde hersenen

“We willen een fundamenteel begrip krijgen van hoe de hersenen werken op moleculair niveau”, vertelt Dimphna Meijer, postdoc in de groep van Janssen. “We bestuderen dus niet wat er misgaat bij een ziekte, maar waarom het goed gaat in gezonde hersenen. Dan kan je uiteindelijk ook beter begrijpen wat er gebeurt als het misgaat.”

1000 keer kleiner dan een haar

Het punt waarop de interactie tussen twee neuronen (zenuwcellen) plaatsvindt, heet synaps. Bert Janssen en Dimphna Meijer hebben een specifiek eiwit in kaart gebracht dat ervoor zorgt dat die synapsen aan elkaar blijven zitten: Teneurin. “Zo’n eiwit is 20 nanometer lang”, zegt Janssen. “Dat is 1000 maal kleiner dan de doorsnede van een haar. Met een gewone microscoop kun je hem niet eens zien; daarvoor gebruiken we een elektronenmicroscoop.”


Het Teneurin-eiwit

Diepgevroren eiwitten

Cryo-elektronenmicroscopie is een relatief nieuwe en revolutionaire technologie (aldus Nature), in 2017 beloond met een Nobelprijs. Deze techniek vuurt bundels elektronen af op diepgevroren eiwit-specimens om de structuur van de biomoleculen te bekijken. De hieruit verkregen beelden worden in de computer omgezet in 3D-beelden, door opnames te combineren die vanuit verschillende hoeken zijn gemaakt. Hierbij wordt onder meer de software Relion ingezet, ontwikkeld door de Nederlander Sjors Scheres, die promoveerde aan de Universiteit Utrecht en nu een onderzoeksgroep leidt in Cambridge.

2,1 miljoen core-uren

Voor dat omzetten heb je veel computerkracht nodig, en de scheikundigen zetten daarvoor een GPU-cluster in van de Nationale Supercomputer Cartesius. De supercomputer gebruikt vele cores (processorkernen) tegelijkertijd; op een gewone laptop met 4 cores zouden deze berekeningen bijna 60 jaar kosten. De onderzoeksgroep heeft flink wat capaciteit toegewezen gekregen: 2,1 miljoen core-uren, waarvan in een jaar tijd al een derde is gebruikt. GPU’s (graphics processing units) kunnen de benodigde rekentaak veel sneller uitvoeren dan de traditionele CPU’s (core processing units). Meijer: “SURFsara heeft ons geholpen om optimaal gebruik te maken van onze algoritmes op het GPU cluster.”

11 terabyte aan data

“Om een driedimensionale afbeelding van het eiwit in een hoge resolutie te krijgen, hebben we een miljoen opnames nodig, die we vervolgens met elkaar combineren. Onze dataset begon met 11 terabyte aan data. Die moesten allemaal naar Cartesius gekopieerd worden, dat duurde wel 3 dagen. Tijdens het verwerken - en dat duurt maar een paar uur - wordt de hoeveelheid data nog eens verdubbeld. Het uiteindelijke 3D-beeld wordt dan weer gereduceerd tot iets wat op een usb-stickje past: 200 MB.”

Nieuwe vragen

Het 3D-beeld van het Teneurin-eiwit heeft geresulteerd in een eerste publicatie binnen dit project. Nu ze hem in beeld hebben, kunnen de onderzoekers het eiwit verder bestuderen. Janssen: “De belangrijkste conclusie is dat Teneurin er heel anders uitziet dan alle traditionele ‘cell adhesion molecules’, proteïnen die betrokken zijn bij het aan elkaar verbinden van cellen. Het gekke is dat het qua structuur heel erg lijkt op een bacterieel eiwit. Nu we gedetailleerd weten hoe het is opgebouwd, hoe de functionele units eruit zien en waar ze zitten ten opzichte van elkaar, kunnen we verder. Nu willen we begrijpen hoe het eiwit werkt. We weten ook nog niet waarom hij er zo anders uitziet. En zoals gebruikelijk komen er uit deze ontdekking ook weer veel nieuwe vragen voort.”

Publicatie

Meer informatie

Accepteer cookies van derden om deze inhoud te bekijken. Klik hier om dit te doen.
Aantal keren bekeken:
308
Laatste wijziging op 24 okt 2018