Met single molecule-technieken legden AMOLF-onderzoekers in real time vast hoe cellen eiwitten recyclen. Daarbij observeerden ze hoe het systeem voor eiwitrecycling als motor fungeert en eiwitten door een centrale porie heen trekt. Ook ontdekten de onderzoekers energie-gedreven fluctuaties die mogelijk een rol spelen in het herkennen van de juiste eiwitten, zo laten ze zien in Nature Communications.

Cellen gebruiken gespecialiseerde moleculaire machines – zogeheten Cdc48 of p97 – om eiwitten die niet langer gewenst zijn te ontmantelen en om te zetten in nieuwe eiwitten. Ondanks dat de structuur van dit recyclingsysteem al is opgehelderd, is nog niet geobserveerd hoe de moleculaire machine eiwitten selecteert en verwerkt.

Nu hebben onderzoekers van AMOLF voor het eerst rechtstreeks vastgelegd hoe het recyclingsysteem te werk gaat op het niveau van een enkel eiwit. Dit deden ze door individuele eiwitten op de voet te volgen met behulp van optical tweezers. Ze zagen hierbij hoe het donut-vormige complex het eiwit vastgrijpt en de aminozuurketen door een nauwe centrale porie rijgt, waarmee het eiwit ontvouwt. Biofysicus Sander Tans van AMOLF leidde het onderzoek: ‘Hoe een eiwit door die porie heengaat is nog nooit gezien.’

Afstand meten

De onderzoekers wisten de werking van het recyclingsysteem stap voor stap te volgen met behulp van optical tweezers. De techniek, bestaande uit lasers die kleine plastic kralen vasthouden, kan piepkleine krachten meten aan de hand van minieme verplaatsingen van de kraal uit de focus van de laser. De onderzoekers verbonden de kraal via een DNA-‘kabel’ aan een eiwit, en konden zo voor het eerst observeren wat de moleculaire motor met het eiwit doet.

Concreet bonden de onderzoekers hierbij één kraal aan een substraateiwit en een andere kraal aan het uiteinde van ubiquitine, een klein eiwit dat vastzit aan het substraat. Ubiquitine dient als label waaraan het systeem het substraat herkent voor recycling. De aanhechtingspunten voor het DNA creëerden de onderzoekers door een genetische modificatie toe te passen aan het eind van het substraat en ubiquitine. Vervolgens kon het Cdc48-complex de eiwitketen als lus door diens porie trekken, waarbij de uiteinden (verbonden aan de kralen) aan de buitenkant bleven. Tans: ‘Door de verschillen in afstand tussen de kralen te meten, konden we zo bepalen of Cdc48 het substraat ontvouwt en welke krachten daarbij komen kijken.’

Heen en weer

Met hun techniek maten de onderzoekers ATP-gedreven fluctuaties in de afstand tussen de kralen, wat inhield dat de lengte van de lus niet gelijkmatig toenam maar varieerde. ‘Cdc48 trekt de lus door de porie heen, maar duwt deze er vervolgens ook weer gedeeltelijk uit, dan weer erin, dan weer eruit, enzovoort’, zegt Tans. Een hypothese van de onderzoekers is dat dit kinetische gedrag een rol speelt in de selectie van de juiste eiwitten voor recycling. ‘Maar waarom dit precies gebeurt, is nog een open vraag.’

Een grote uitdaging voor de onderzoekers was om de metingen van lengte en krachten te vertalen naar een beeld van wat er gebeurde met het eiwit. Tans: ‘Het is een soort van puzzel waarbij je niet alle complete informatie hebt. Die oplossen was heel uitdagend maar ook superleuk.’

Regulering

Als volgende stap willen de onderzoekers dieper duiken in de regulering van de eiwitrecycling. ‘Er zijn nog andere eiwitten die aan de ubiquitine-ketens binden, waarvan wordt gedacht dat ze de verwerking door Cdc48 versnellen of vertragen’, zegt Tans. ‘Wij willen als eerstvolgende gaan kijken of die eiwitten echt zorgen voor die verandering in snelheid. Misschien zien we wel iets totaal nieuws.’

Video van het proces

Choudhary, D., Tait, J.R., Kracht, M. et al. Direct observation of ATP-driven ubiquitin chain handling by Cdc48. Nat Commun 17, 6014 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72290-2