Ariane Briegel kijkt naar de interacties tussen de macromoleculen die samen de chemische neus van bacteriën vormen. Ze maakt die in intacte cellen zichtbaar met elektronencryotomografie.

‘Tijdens mijn afstudeeronderzoek in de zoölogie in München kwam ik voor het eerst in aanraking met de traditionele elektronenmicroscopie’, vertelt Ariane Briegel, hoogleraar ultrastructuurbiologie aan de Universiteit Leiden. ‘Ik was meteen gefascineerd. Maar ik had nooit kunnen bedenken dat ik een paar jaar later op het niveau van moleculen in intacte cellen zou kunnen kijken.’

Van 2D naar 3D

Een promotieonderzoek aan het Max Planck Instituut voor Biochemie in Martinsried bracht de Duitse als een van de eerste microbiologen in Europa in contact met een cryo-elektronenmicroscoop voorzien van de detectoren en algoritmes die voor de doorbraak van deze krachtige beeldvormende techniek in de life sciences zouden zorgen.

Na een postdoc bij Caltech in Pasadena, startte Briegel ruim drie jaar geleden haar eigen groep in Leiden, waar sinds 2012 het Nederlandse Centrum voor Elektronen Nanoscopie (NeCEN) gevestigd is. Een goede infrastructuur is onmisbaar voor het werk van haar groep van drie aio’s en drie postdocs, want elektronencryotomografie (CryoET) vraagt het uiterste van cryo-­
EM-apparatuur.

‘Wij kijken steeds naar één individuele cel’

Briegel legt uit dat je voor de analyse van een enkel eiwit een methode gebruikt waarbij je een heleboel identieke exemplaren van dat eiwit in je sample hebt om ze allemaal tegelijk te meten. Volgens haar kan de computer uit al die metingen dan redelijk accuraat een gemiddelde vorm afleiden.

‘Maar met intacte bacteriecellen gaat dat nooit lukken. Die zijn onderling veel te verschillend. Wij kijken dus steeds naar één individuele cel, die we zo laten roteren door het apparaat dat we er een heleboel 2D-opnames van kunnen maken. Daaruit maakt de computer een 3D-reconstructie.’

Signaaloverdracht

Met de techniek lukt het Briegel en haar groep om naar de ‘neuzen’ van bacteriën te kijken. ‘Veel bacteriën kunnen zich met behulp van flagellen in beweging brengen. Om te weten waar ze naartoe of vandaan moeten bewegen, beschikken ze onder meer over een goede neus voor hun chemische omgeving.’

Ze hebben in hun celmembraan clusters met receptoren, die chemische signalen oppikken. De receptoren dragen die signalen over naar de motoren achter de bewegingen. Zo kunnen cellen in de richting van een voedselbron bewegen of weg van gifstoffen. Of, bij pathogene bacteriën, naar plekken waar ze succesvol hun gastheer kunnen binnendringen. ‘Het is belangrijk om te weten hoe die signaaloverdracht precies in zijn werk gaat. Voor ons begrip van microbes, maar ook om nieuwe medicijnen te ontwikkelen.’

Daarom kijkt de groep van Briegel in detail naar de macromoleculen waaruit de bacteriële neuzen zijn opgebouwd en de macromoleculaire structuren waarmee ze interacteren. Het is een zeer jong onderzoeksgebied, met de nodige onopgehelderde fundamentele vragen.

In de toekomst hoopt de hoogleraar het moment vast te leggen waarop een bacterieel toxine een eukaryote cel infecteert. Beeldvorming in zulke grote cellen is met een transmissietechniek als CryoET op dit moment nog moeilijk. Toch ziet Briegel het als een mooie volgende stap na het huidige onderzoek van haar groep aan de ultrastructuur van de cholerabacterie.