ROX wint prijs voor translationeel onderzoek

Michael Rooks, Frank J. Ruszczyk hoogleraar natuurkunde en toegepaste natuurkunde en bio-engineering aan het California Institute of Technology, heeft de National Institutes of Health (NIH) Director’s Award ontvangen. Translationeel Onderzoeksprijs.

Deze prijs, die dit jaar aan slechts zes wetenschappers in het hele land wordt uitgereikt, “steunt individuen of teams die transformatieve projecten voorstellen die inherent riskant en ongetest zijn, maar het potentieel hebben om basisparadigma’s te creëren of op zijn kop te zetten”, aldus de NIH.

De Translational Research Award, ingesteld in 2009, is een van de vier prijzen van de National Institutes of Health Een onderzoeksprogramma met een hoog risico en een hoge beloning. De vijfjarige ROX-onderscheiding zal hem in staat stellen nieuwe nanotechnologieën te blijven ontwikkelen die een hoge doorvoersnelheid en analyse van één molecuul van een eiwit kunnen bieden – de verzameling van alle eiwitten in een organisme.

We hebben onlangs met Rooks gesproken om zijn onderzoeksprogramma te bespreken, wat vooral interessant is omdat Rooks een natuurkundige is.

Wat was de aanleiding om je aan te melden voor de Translationeel Onderzoeksprijs?

De meeste subsidies worden beoordeeld door teams, en er is een tendens om meer beproefde benaderingen te financieren. De National Institutes of Health heeft subsidies met een hoog risico en een hoge beloning gecreëerd om ‘briljante’ projecten te financieren, zoals projecten die de tools bouwen die nodig zijn om de gegevens te verkrijgen waarmee we dingen kunnen zien die ons tot nu toe zijn ontgaan.

Wat is de aard van uw project?

Het is een nieuwe fase van een onderneming waarbij ik de afgelopen twintig jaar betrokken ben geweest: het mogelijk maken van diepgaande eiwitprofilering. Tegenwoordig hebben we de apparatuur geperfectioneerd die nodig is om het hele menselijke genoom, ons DNA, te sequencen, maar de pogingen om het proteoom, de verzameling van alle eiwitten in een biologisch systeem, te scannen, blijven ver achter.

Dit komt deels door het enorme aantal eiwitten waar we het over hebben. Een zoogdiercel bevat ongeveer 3 miljard eiwitten. Van deze drie miljard eiwitten zijn er ongeveer 15.000 basistypen. Eén eiwit kan in honderd miljoen exemplaren tot expressie worden gebracht, terwijl een ander eiwit in slechts een paar kopieën kan worden uitgedrukt. Je hebt een verbazingwekkend scala aan concentraties dat moet worden uitgebreid om alles te begrijpen wat er in de celmachinerie, in het eiwit, gebeurt.

Je zou kunnen denken dat als er maar een paar kopieaantallen van een eiwit zijn, het misschien niets belangrijks in de cel doet. Maar dit is niet helemaal waar. Deze zeldzame eiwitten kunnen de aanwezigheid signaleren van een vreemde substantie die het vermogen van een cel om te overleven bedreigt, of cellulaire processen controleren om de homeostase te garanderen om de cel te laten functioneren. Daarom is het erg belangrijk om het volledige scala aan aanwezige eiwitten te zien, ongeacht hun kopieaantallen, en niet alleen de meest voorkomende.

In wezen is het alsof we een enorme hooiberg hebben die grotendeels uit stro bestaat, maar gevuld is met enkele naalden, en deze zeldzame naalden – de eiwitten – zijn wat we moeten vinden.

Hoe stel je voor om de ‘naalden’, de minder vaak voorkomende eiwitten, te vinden?

Wat we moeten doen is elk stukje hooi in die stapel tellen, alle 3 miljard, om er zeker van te zijn dat we geen zeldzame en belangrijke eiwitten mislopen. Je kunt bijvoorbeeld scheidingsmethoden gebruiken, waarbij kralen worden gebruikt die zich hechten aan enkele van de meer voorkomende eiwitten en deze vervolgens verwijderen, waardoor het monster wordt gefilterd zodat de zeldzamere eiwitten een groter deel uitmaken van wat overblijft. Maar alle eiwitten zijn plakkerig en de zeldzamere soorten worden uiteindelijk samen met de meer wijdverspreide eiwitten verwijderd. In werkelijkheid bestaan ​​er in de proteomica geen betrouwbare amplificatietechnieken zoals die welke in de genomica worden gebruikt, dus de zekerste manier om diepgaande eiwitprofilering mogelijk te maken is door gewoon alles te meten.

Zijn de meest voorkomende eiwitten al goed geanalyseerd?

Ja natuurlijk. Maar er is nog steeds veel van wat we ‘biologische donkere materie’ zouden kunnen noemen, dat onze detectie heeft ontweken, dus vandaag de dag kennen we niet echt alle componenten van een eiwit en hoe ze voor de biologische functie zorgen. De taak die voor ons ligt is het gebruik van nanotechnologie, die goed is afgestemd op de grootte van individuele moleculen, en het parallelliseren van grootschalige detectie met behulp van reeksen nanosensoren, zodat heel veel eiwitten snel en gelijktijdig kunnen worden geanalyseerd.

We berekenden dat als we enkele miljoenen eiwitten per seconde konden identificeren, we in een redelijke laboratoriumtijd, in tientallen minuten, miljarden eiwitten in het proteoom van een biologisch monster zouden kunnen analyseren. Het probleem is dat enkele miljoenen identificaties per seconde veel groter zijn dan wat vandaag de dag mogelijk is. De heersende techniek voor het identificeren van eiwitten is massaspectrometrie. Een massaspectrometer is in wezen een eenkanaalsinstrument. Elke tool bewaakt één verwerkingspad tegelijk, en elke tool is erg duur – doorgaans meer dan $1 miljoen. De uitdaging is om duizenden geminiaturiseerde massaspectrometers samen te stellen die parallel op nanoschaal werken. Dit is waar wij aan werken!

Is er iets specifieks dat je hoopt te leren over eiwitten?

Ja, de prijs is bedoeld om een ​​nieuwe stap voorwaarts mogelijk te maken met deze nieuwe, ultragevoelige technologie op het niveau van één molecuul. Dit is niet alleen om alle eiwitten in de cel te scannen, maar ook om te laten zien waar ze zich in de cel bevinden. We noemen dit ruimtelijke proteomics. Ons doel in dit nieuwe project is om met cellulaire resolutie te scannen om te achterhalen waar eiwitten zich in de cel bevinden.

Dit heeft veel toepassingen in de levenswetenschappen en in de geneeskunde. Een tumor is bijvoorbeeld meestal iets heel heterogeens. Er zijn veel verschillende soorten cellen in een tumor, en slechts een paar bevorderen de ziekte, waardoor het vermogen van de tumor om te muteren, zich te verspreiden en ziekten door het hele lichaam te veroorzaken, wordt aangetast. Als we biologische processen op het niveau van een enkele cel kunnen oplossen, inclusief de celsynthese en de distributie van endogene eiwitten, zullen we onze aandacht kunnen richten op de meest problematische celtypen.

Ik ben opgeleid als natuurkundige. Hoe raakte je geïnteresseerd in biologie?

Ik beschouw mezelf als een experimenteel natuurkundige. Ik ben altijd bezig geweest met precisie en kwantificering. Toen ik in 1992 bij Caltech kwam, wilde ik een manier vinden om natuurkunde te gebruiken om mensen te helpen, dus dacht ik dat ik zou proberen een aantal van de opkomende technieken in de nanowetenschappen en micrometrie toe te passen om nieuwe grenzen te openen voor metingen in de biologie. Ik begon met slechts twee SURF’s [Summer Undergraduate Research Fellowship] Studenten doen een klein zijproject. Dit was erg leuk, en begin jaren 2000 deed ik al gefinancierde samenwerkingen met mensen op de biologieafdeling van Caltech [now the Division of Biology and Biological Engineering].

Ik herinner me een dag in het bijzonder, toen ik in een van de belangrijkste vergaderruimten van mijn medewerkers in de kelder van het Beckman Instituut zat met een interdisciplinaire groep bestaande uit een theoretisch natuurkundige, een oppervlaktechemicus, een celbioloog, een ontwikkelingsbioloog en een wiskundige. Ik dacht toen dat dit precies is waar ik de rest van mijn carrière wil staan. We brengen allemaal verschillende dingen ter tafel, en dit stelt ons in staat vragen te beantwoorden die niemand van ons alleen met succes kan beantwoorden. Het is echt een geweldige plek!

*****

Onderzoekers die bij deze inspanning betrokken zijn bij ROX zijn Alexander Makarov van Thermo Fisher Scientific, Julia Laskin van Purdue University, Kenneth Shepherd van Columbia University en Amir Safavi Naini (MA/PhD ’13) van Stanford University; Bij Caltech zijn dat Tsui-Fen Chu (onderzoeksprofessor biologie en biologische technologie), John Sader (onderzoeksprofessor lucht- en ruimtevaart en toegepaste natuurkunde) en Geoff Jones (senior proteomics-wetenschapper).