Naar de content

'Ik wil een gereedschapskist maken voor netwerken van moleculen'

Aleksandr Pogodaev knoopt chemische reacties aan elkaar tot grotere netwerken

Een diagram van een circuit met verschillende kleuren en lijnen.
Een diagram van een circuit met verschillende kleuren en lijnen.
J3D3 via Wikimedia Commons CC BY SA 4.0

In een levende cel vinden heel veel reacties tegelijkertijd plaats en worden doorlopend nieuwe stoffen gemaakt en weer afgebroken. Maar als chemici in het lab zoiets proberen, loopt dat meteen spaak. Aleksandr Pogodaev leverde met zijn promotieonderzoek nieuwe mogelijkheden om reacties meer in netwerken te organiseren.

6 april 2021

Er is een fundamenteel verschil tussen hoe wij in het lab stoffen maken en hoe de cellen in ons lichaam, en in alles wat leeft, dat doen. Wetenschappers werken in één richting: van grondstof naar product en dat zo snel mogelijk. En voor ieder product apart. In de natuur gaat dat heel anders. Daar verloopt de productie via gekoppelde netwerken, waardoor er veel meer tegelijkertijd kan plaatsvinden en de cel zich snel kan aanpassen aan nieuwe omstandigheden. Dat willen chemici ook graag voor elkaar krijgen in het lab. Chemicus Aleksandr Pogodaev promoveerde eind januari aan de Radboud Universiteit op zijn onderzoek naar het bouwen van dergelijke, nog heel eenvoudige, netwerken.

Kaart van de tram- en metrolijnen in Amsterdam. Alle chemische reacties in een levende cel kun je ook zien als een dergelijk netwerk (maar dan vele malen ingewikkelder).

Thomas Krause via Wikimedia Commons CC BY SA 4.0

Waarom zijn die netwerken zo belangrijk?

“Om de essentie van dit onderzoeksveld te schetsen, moeten we eerst even kijken naar hoe we tot nu toe stoffen maken. In de traditionele chemie draait alles om het maken van een specifiek molecuul of een materiaal. Dat gaat meestal in meerdere stappen met steeds één chemische reactie per stap. Uit A en B maak je eerst C en daarna gebruik je C weer in een volgende stap om er D van te maken, enzovoort. Chemici zijn er inmiddels ontzettend goed in om al die reacties zo efficiënt mogelijk uit te voeren en daardoor zijn we erin geslaagd om op grote schaal allerlei nuttige producten te maken. Denk aan geneesmiddelen of kunststoffen.”

“Maar als je verder kijkt, naar hoe het in de natuur gaat en hoe levende cellen alles maken wat ze nodig hebben, dan zie je dat al die losse chemische reacties doorlopend en tegelijkertijd plaatsvinden en dat ze elkaar onderling beïnvloeden. De reacties staan niet op zich, maar zijn onderdeel van grotere netwerken van chemische reacties waarbij de eiwitten in de cel de centrale spelers zijn. Als je zo’n netwerk kunt namaken, kun je dus op een heel andere manier stoffen gaan maken en nieuwe productieprocessen ontwerpen. Dat wordt al langer geprobeerd, maar het is moeilijk om een goed werkend reactienetwerk in elkaar te zetten. Mijn promotieonderzoek was gericht op het zoeken naar de algemene spelregels om zo’n netwerk te bouwen. Aan welke voorwaarden moet je voldoen om zoiets aan de praat te krijgen?”

Op je resultaten komen we nog, maar stel dat we in de toekomst dergelijke netwerken kunnen bouwen, wat kunnen we dan doen dat nu nog niet kan?

“Als dit lukt zie ik twee belangrijke richtingen om de netwerken in te zetten. De eerste is het nabootsen en maken van leven en ‘levende’ systemen. Als je een levende cel compleet vanaf de losse componenten wilt bouwen, moet je weten hoe je die netwerken bouwt.”

Aleksandr Pogodaev: “Je hebt als promovendus vier jaar de tijd, zorg dan dat je ook iets zinnigs kunt doen.”

 A. Pogodaev

“De tweede, en die is veel dichterbij, is dat je met netwerken nieuwe materialen kunt maken die nuttige functies vervullen. Biomedische toepassingen zijn dan een logische eerste optie. Denk aan een materiaal dat je in het lichaam kunt gebruiken dat van vorm kan veranderen in reactie op bepaalde signalen. Bijvoorbeeld een gel die je gebruikt voor wondheling. Die gel is gevoelig voor signalen uit het lichaam en kan stijver worden als dat moet of juist soepeler, afhankelijk van wat er op dat moment nodig is. Daarvoor heb je netwerken nodig, zodat je op basis van het signaal de ene set reacties in gang zet of juist de andere. En zodat het hele proces ook omkeerbaar is en indien nodig een andere route kan volgen.”

En toepassingen in de chemische industrie als nieuwe manier om stoffen te maken?

“Dat zie ik niet zo snel gebeuren. Het zal in eerste instantie gaan om toepassingen waarvoor je niet heel veel materiaal nodig hebt. Met deze netwerken kom je niet in de buurt van de grote productievolumes uit de industrie. Ik denk vooral aan heel specifieke materialen die iets extra’s kunnen, materialen die een inputsignaal kunnen omzetten in een gewenste output, afhankelijk van de situatie. Materialen waar je echt zo’n netwerk voor nodig hebt.”

De mogelijkheden om een netwerk op basis van eiwitten te bouwen lijken oneindig. Hoe ben jij te werk gegaan?

“In de onderzoeksgroep van Wilhelm Huck, waar ik mijn onderzoek heb gedaan, werd hier al aan gewerkt en waren ook al kleine reactienetwerken gemaakt. Ik ben eerst verder gegaan met de lopende projecten, maar bedacht toen dat we breder moesten gaan kijken naar de moleculen, in ons geval de eiwitten, die we konden gebruiken. We werkten heel veel met trypsine, dat is een handig enzym [eiwit dat werkt als een katalysator, waardoor reacties sneller verlopen, red.] dat zichzelf kan activeren. Daardoor werkt het als een soort startknop om het netwerkje in gang te zetten. Maar als je verschillende netwerken wilt proberen, wil je uit meer mogelijkheden kunnen kiezen dan alleen trypsine.”

“Ik ben toen ook peptide-inhibitors gaan gebruiken, dat zijn moleculen die een specifiek eiwit of een groep eiwitten kunnen blokkeren door eraan te binden. Daarmee heb ik geprobeerd om tot meer algemene regels te komen om te bepalen hoe je elk gewenst enzym in elk gewenst netwerk kan zetten. Dat was mijn stap richting het zoeken naar basisprincipes die breed geldig zijn en niet alleen beschrijven hoe het werkt voor een specifiek enzym in een specifieke situatie. Hiermee wilde ik een soort gereedschapskist van enzymen maken, waarmee je gericht kunt bepalen wat je nodig hebt. ‘Als ik X wil bereiken met mijn netwerk, heb ik enzym Y nodig’. De kunst daarbij is om die principes zo eenvoudig mogelijk te houden. In de natuur is dat ook zo. In een cel ga je van het gen, het stukje DNA dat de code voor het eiwit bevat, via mRNA naar het bewuste eiwit. Drie stappen. Zoiets wil ik ook graag voor netwerken: een overzichtelijke set stappen die je kunt nemen om tot je gewenste resultaat te komen.”

Hoe ver ben je gekomen met die gereedschapskist?

“Op het niveau van een groep enzymen heb ik enkele algemene regels kunnen formuleren, maar nog niet voor alle enzymen hoor. Ik heb me vooral gericht op de proteases, dat is een familie van enzymen die iets kunnen knippen. In een goede gereedschapskist zitten natuurlijk ook enzymen waarmee je juist dingen aan elkaar kunt plakken, dat zijn de ligases. Die moeten er ook bij en zo zijn er voor heel veel functies klassen van enzymen te vinden. Ik heb een start gemaakt met het modelleren van het ontwerp van kleine reactienetwerken. Het is echt nog maar een begin, maar ik heb er vertrouwen in dat hier heel veel uit kan komen. Ik laat met mijn model een principe zien waarmee andere onderzoekers ook verder kunnen.”

Jij probeert dus basisregels te vinden om vanaf nul een reactienetwerk te ontwerpen. Op allerlei fronten proberen onderzoekers om ook vanaf nul een levende cel te bouwen – in hoeverre gaat het ontwerpen van netwerken bijdragen aan het creëren van synthetisch leven?

“Nou, als je echt helemaal rationeel een ontwerp wilt maken voor iets dat leeft, dan impliceert dat dat je leven helemaal begrijpt. Dat je precies weet wat er allemaal nodig is. En daar zijn we echt nog heel ver vanaf.”

De stofwisseling weergegeven als een metrokaart.

Chakazul via Wikimedia Commons CC BY SA 4.0

Dit is voor jou geen groter doel?

“Het bouwen van leven is natuurlijk een enorm doel en het zal ook een enorme mijlpaal zijn als we dat bereiken, maar het is ook zo’n grote opgave dat het voor mij geen directe motivatie is. Ik richt me liever op iets kleinere mijlpalen, zoals de nieuwe chemie die we nu ontwikkelen door meer te denken in netwerken in plaats van enkele reacties. De eerste stappen zijn gezet en je ziet de interesse groeien in het veld. Meer mensen gaan nu proberen om ook netwerken te maken, waardoor we meer leren en er weer nieuwe chemische mogelijkheden komen. Op die manier verbeteren we nu de manier waarop we chemie bedrijven. Een kleiner doel, maar ook realistischer.”

Wat trok je dan aan in het onderzoek van de Huck-groep?

“Ik was en ben nog steeds geïntrigeerd door de complexiteit van chemische netwerken en ik zag het als een interessante uitdaging om te proberen daar meer grip op te krijgen. In het onderzoek is er een constante stroom van inspiratie, van interessante vraagstukken die voorbij komen. Maar ik ben iemand die ook graag voor haalbare doelen gaat. Je hebt als promovendus vier jaar de tijd, zorg dan dat je ook iets zinnigs kunt doen.”

Je bent nu postdoc in de groep van Matthias Heinemann in Groningen. Wat doe je daar precies?

“Hier draait het onderzoek om veel grotere, bestaande biologische netwerken die te maken hebben met de stofwisseling in een cel. Ze hebben een bijzondere switch in de energiehuishouding van gistcellen ontdekt waardoor de gist of alcohol gaat maken of juist veel CO2. We zijn nu benieuwd hoe deze switches in andere soorten cellen werken, waaronder kankercellen. Ik ben nu bezig om nieuwe software te ontwikkelen om deze grote netwerken te simuleren, zodat we daarna voor kankercellen kunnen voorspellen hoe ze zich gaan gedragen en welke stoffen ze gaan produceren. Dat kan ons meer leren over hoe die cellen werken en waar je wellicht kunt ingrijpen om hun gedrag te veranderen.”

Bron:

Aleksandr A. Pogodaev, ‘Molecular engineering of enzymatic reaction networks’, Radboud Universiteit, 2021.

ReactiesReageer