Wetenschappers zijn niet zo bedreven in het maken van nieuwe enzymen. Maar de natuur doet het doorlopend door bestaande enzymen te laten evolueren. Amerikaanse chemici wisten die evolutie na te doen in een reageerbuis, met als resultaat een gloednieuw, nuttig enzym.
In onze cellen zitten duizenden verschillende soorten enzymen die samen heel diverse reacties versnellen. Zo helpt DNA-polymerase het DNA verdubbelen en breekt trypsine eiwitten af in de dunne darm.
Chemici gebruiken zulke biologische katalysatoren in de industrie voor de omzetting van organische verbindingen, bijvoorbeeld om biopolymeren te maken. Maar wat als je een enzym werk wil laten uitvoeren, dat het nooit zou doen in een levende cel? Biochemicus Francis Arnold en haar collega’s van het California Institute of Technologie vonden een oplossing: ze lieten een enzym evolueren.
Evolutie
Evolutie is de geleidelijke verandering van soorten. Het gebeurt doordat alleen populaties die zich goed kunnen aanpassen aan veranderingen in hun omgeving overleven. Zij geven hun voordelige genen door aan de volgende generatie. Ook enzymen zijn onderhevig aan evolutie. Als ze in de cel op onbekende situaties stuiten, kunnen ze evolueren om nieuwe taken uit te voeren. Via evolutie maakt de natuur voortdurend nieuwe enzymen.
De Amerikanen rapporteren in het vakblad ACS Central Science dat ze de natuur kopiëren. Ze gebruikten dezelfde evolutionaire strategie om het bestaande enzym cytochroom P450, dat in veel organismen voorkomt, te veranderen en nieuw werk te geven.
Aangepaste enzymen kunnen nieuwe reacties uitvoeren.
Frances H. ArnoldAminozuren
Het cytochroom P450 is eigenlijk een verzameling van enzymen die helpt bij de afbraak van giftige stoffen en medicijnen. Arnold en haar collega’s ontdekten dat het mogelijk is om een P450 zo aan te passen, dat het compleet andere moleculen herkent, en dus andere reacties katalyseert.
Ze wilden het enzym een aziridine -reactie laten uitvoeren. In de natuur kan P450 dat niet. “Aziridine is een veelzijdige, chemische verbinding die makkelijk is om te zetten in andere verbindingen die interessant zijn voor de farmaceutische industrie,” legt onderzoeker Ruijie Zhang uit. Het is daarom zeer gewenst. De ontdekking dat je enzymen dingen kan laten doen die niet in de natuur gebeuren, leidt tot routes om belangrijke moleculen te maken. In 2014 rapporteerden chemici bijvoorbeeld al over een enzym dat ze zover kregen dat het levomilnacipran maakt, een antidepressivum.
Hoe moet je P450 dan veranderen? Dat was van tevoren niet precies bekend. Dus maakte het team verschillende varianten van het enzym. In elke variant vervingen ze een belangrijk aminozuur – een eiwit is opgebouwd uit aminozuren – door een ander aminozuur. Dat kan door het DNA dat de code bevat voor dit enzym gericht te veranderen.
Bacterie
Het DNA met de mutatie plaatsten ze in een bacterie; elke mutatie weer in een andere. De bacterie maakt vervolgens het aangepaste enzym. De bacterie, en dus de enzymvariant, die de aziridinatie-reactie het best uitvoerde pikten de wetenschappers eruit. Met de winnaar herhaalden ze bovenstaand proces nog een keer om het enzym nog beter te maken. Het oorspronkelijke P450 veranderde, of evolueerde, geleidelijk in een nieuw enzym.
Het zelf ontworpen P450 levert niet direct een handig molecuul op: het maakt C-N bindingen van alkenen (onverzadigde koolwaterstoffen). Het pakt een alkeen als substraat en levert een aziridine als product. Met dat product kan de industrie vervolgens verder om medicijnen te maken. “Deze chemie is menselijke chemici goed bekend, maar was nog nooit vertoond in de biologische wereld”, aldus onderzoeksleider Arnold. “Maar met de juiste reagentia kan de natuur leren hoe ze het moet doen.”