Nieuwe bouwsteen maakt van een gewoon eiwit een katalysator

Chemische reacties verlopen lang niet altijd vlotjes. Heel vaak hebben moleculen een zetje nodig om samen een nieuwe stof te vormen. Dat zetje geven katalysatoren: stoffen die een chemische reactie versnellen, maar zelf niet reageren. De chemische industrie kan niet zonder katalysatoren, maar ook in de natuur verlopen de gewenste reacties meestal niet vanzelf. Levende cellen beschikken daarom over een uitgebreide collectie katalysatoren die we enzymen noemen.

Enzymen zijn eiwitten; grote biomoleculen waarvoor de bouwinstructies opgeslagen liggen in het DNA van de cel. Er zijn ontzettend veel verschillende enzymen die ieder heel specifiek een chemische reactie uitvoeren en dat ongelooflijk goed doen. Zo goed, dat de chemische industrie hier met enige afgunst naar kijkt.

Industriële katalysatoren zijn heel efficïent, maar bevatten vaak kostbare, giftige en/of zeldzame metalen. Bovendien vreten de productieprocessen veel energie, omdat er ook een hoge temperatuur, en soms een hoge druk, nodig is. Tot slot zijn er speciale oplosmiddelen nodig die zorgen voor moeilijk verwerkbare afvalstromen. Een groot contrast met enzymen. Die werken juist onder heel vriendelijke, milde omstandigheden. Denk maar aan je eigen lichaam waar talloze enzymen hun werk doen. Geen vervuilende oplosmiddelen, maar water. Geen hoge temperatuur, maar iets rond de 37 graden. En alleen maar ‘groen’ afval.

Niet-natuurlijke bouwstenen

Gerard Roelfes pakt het ontwerp van enzymen anders aan. Roelfes is hoogleraar biomoleculaire chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen en in Nature Chemistry publiceerde zijn groep het ontwerp van een nieuw enzym op basis van een ‘gewoon’ eiwit, waar ze een niet-natuurlijk aminozuur hebben ingezet. Eiwitten, en dus ook enzymen, bestaan uit een lange keten van aan elkaar gekoppelde aminozuren – waarvan er in de natuur twintig verschillende zijn – in een specifieke volgorde. Door iets te veranderen in die keten, kun je de eigenschappen van het eiwit veranderen.

“Enzymen moeten het in de natuur doen met de twintig beschikbare aminozuren en dat is niet genoeg om alle reacties uit te kunnen voeren die nodig zijn in een levende cel’, zegt Roelfes. “Gedurende de evolutie zijn daar oplossingen voor ontstaan, zoals het gebruik van hulpstoffen, de cofactoren. Of nadat het enzym is gemaakt in de cel, vinden er nog chemische toevoegingen plaats. Aan sommige aminozuren in de keten wordt nog een extra stukje geplakt, waardoor het enzym een andere reactie kan uitvoeren.” Er ontstaat in feite een nieuw aminozuur.

Die oplossing van de natuur inspireerde Roelfes om uit te zoeken of je met een niet-natuurlijk aminozuur een gewoon eiwit, dat niks katalyseert, kunt omtoveren in een enzym. Want niet-natuurlijke aminozuren zijn er volop, die hebben chemici al in allerlei varianten gemaakt. Maar waarom begint hij niet met een bestaand enzym, dat is toch veel eenvoudiger? “Nee, want bestaande enzymen werken heel specifiek. Ze zijn helemaal geëvolueerd om alleen die ene reactie met die specifieke moleculen uit te voeren. Als je ze iets anders wilt laten doen, moet je het hele enzym ombouwen. Dat is niet handig. Wij zoeken daarom naar een eiwit dat je als basis kunt gebruiken om veel verschillende enzymen te ontwerpen.”

Donut

De keuze viel op het eiwit LmrR, dat gemaakt wordt door een melkzuurbacterie. “Dit eiwit is heel geschikt vanwege de vorm”, legt Roelfes uit. “Twee eiwitmoleculen vormen samen iets wat op een donut lijkt. Die holte biedt een goede omgeving voor moleculen die niet van water houden, zogeheten hydrofobe moleculen. En veel van de stoffen waar wij in zijn geïnteresseerd zijn, zijn hydrofoob. Bovendien is deze holte niet heel specifiek: allerlei verschillende hydrofobe moleculen nestelen zich hier graag.” Dat is een gunstig uitgangspunt als je iets wilt ontwerpen dat je voor verschillende stoffen en reacties wilt gebruiken.

De volgende stap was het vinden van een geschikte katalysator die in het eiwit in te bouwen is. Het moet dus niet te groot zijn en kunnen werken in een biologische omgeving. De groep koos voor aniline, een klein organisch molecuul waarvan bekend is dat het katalytische activiteit vertoont. “Dat hebben we gekoppeld aan een bestaand aminozuur, waardoor een niet-natuurlijk aminozuur ontstond, genaamd p-aminofenylalanine. Dit hebben we ingebouwd in het LmrR-eiwit op een zodanige manier dat de melkzuurbacterie nu zelf dit aangepaste eiwit kan maken. Daarvoor gebruikten we technieken die andere onderzoekers hebben ontwikkeld.” Vervolgens konden ze het nieuwe kunstmatige enzym – het LmrR-eiwit met daarin het niet-natuurlijke aminozuur – uit de bacterie isoleren en gebruiken in verschillende chemische reacties.