Eiwitten zijn de werkpaarden van de levende cel: ze voeren chemische processen uit en zorgen voor stevigheid. Een eiwit is opgebouwd uit een kralenketting van verschillende aminozuren. Door aminozuren in te bouwen die door mensen ontworpen zijn, ontstaan eiwitten met hele nieuwe eigenschappen. Om dit mogelijk te maken hebben wetenschappers uit Cambridge het productieproces voor eiwitten in een bacterie aangepast. In het filmpje zie je hoe dit proces in de natuur verloopt.

De productie van de ketting begint met een messenger RNA (mRNA) molecuul dat bestaat uit een serie basen (de gekleurde blokjes op het lint). Het lichtblauwe ribosoom, dat uit 2 delen bestaat, leest het mRNA met 3 basen tegelijk en koppelt er een passend transfer RNA (tRNA) molecuul aan, de roze sliert. Het tRNA draagt een aminozuur bij zich, dat in het ribosoom aan de bestaande ketting gekoppeld wordt. Deze ketting is het uiteindelijke eiwit.

De sets van 3 basen die het ribosoom leest heten codons. Op elk codon past maar één tRNA molecuul en dus maar één aminozuur. In de natuur komen 4 verschillende basen voor, waarmee een cel 4³ = 64 verschillende codons kan produceren. Een cel gebruikt maar 20 verschillende aminozuren, dus 64 codons is meer dan genoeg.

Jason Chin, synthetisch bioloog uit Cambridge denkt daar anders over. Er zijn namelijk veel meer verschillende aminozuren te maken dan de 20 die in de natuur voorkomen. Door die onnatuurlijke aminozuren in te bouwen worden nieuwe eiwitten verkregen met spannende eigenschappen. Het inbouwen van deze aminozuren is lastig, omdat de 64 bestaande codons al voor één van natuurlijke aminozuren staan. Er moesten dus nieuwe codons bedacht worden.

Aminozuren hebben allen dezelfde basis. Alleen de zijgroep (hier met R aangegeven) wisselt. Er zijn veel meer verschillende zijgroepen mogelijk dan de 20 die in de natuur worden gebruikt.

Yassine Mrabet, vrijgegeven in het publieke domein via Wikimedia Commons

Om onnatuurlijke aminozuren in te kunnen bouwen besloten Chin en zijn collega’s het aantal mogelijke codons te vergroten. Door codons van 4 basen toe te voegen aan het pakket van codons met 3 basen, zijn 4⁴ = 256 extra combinaties mogelijk. Om cellen de nieuwe codons te laten accepteren moesten de wetenschappers het ribosoom en de tRNA moleculen aanpassen. De aangepaste tRNA moleculen worden uitgerust met synthetische aminozuren, die vervolgens in het eiwit terecht komen.

Vrijgegeven in het publieke domein

Vrijgegeven in het publieke domein

Om te laten zien dat het systeem werkt, lieten de onderzoekers de darmbacterie Escherichia coli (E. coli) een aangepast eiwit maken. Ze gebruikten hiervoor een klein eiwit dat calmodulin heet. Dit eiwit wordt veel voor onderzoek gebruikt en er is daardoor veel over bekend. Door twee nieuwe aminozuren in te bouwen die een sterke binding met elkaar aangaan, kreeg het eiwit een heel andere vorm dan normaal (zie plaatje). Het werd ook steviger, waardoor het zijn vorm minder snel verliest. Dit vormverlies zou bijvoorbeeld door verhitting of een hoge zuurgraad optreden.

Kweekvat

Volgens Chin is dit werk het begin van een parallelle genetische code, die naast de gewone kan bestaan. Deze ontwikkeling biedt vele mogelijkheden, van geneesmiddelen die bestand zijn tegen het zure milieu in de maag, tot nieuwe polymeren die zo sterk zijn als kevlar (een materiaal dat in kogelwerende vesten gebruikt wordt).

Zo ver is het nog lang niet, maar Chin ziet veel mogelijke toepassingen. De volgende stap is het ontwerpen van meer tRNA moleculen die de aminozuren in kunnen bouwen. “Dit moet uiteindelijk tot een nieuwe klasse materialen leiden. Omdat dit alles geproduceerd kan worden door bacteriën in een kweekvat, zou het wel eens goedkoper kunnen zijn dan chemische synthese.”

Zie ook

• Dossier synthetische biologie (Kennislinkdossier)
• Na de hype: synthetische biologie (Kennislinkartikel)
• Nobelprijs chemie voor inzicht in ribosoom (Kennislinkartikel)