Levende bacterie werkt met kunstmatig enzym

Bacteriën, gisten, schimmels, maar ook onze eigen lichaamscellen maken aan de lopende band grote, ingewikkelde moleculen. Dat doen ze zo goed dat chemici er jaloers naar kijken. Het geheim schuilt in de enzymen, de katalysatoren van de natuur. Dankzij enzymen kunnen levende cellen heel efficiënt de meest complexe stoffen maken. Zonder dat ze de extreme omstandigheden van een laboratorium (hoge temperatuur, ongezonde chemicaliën) nodig hebben.

Dus proberen chemici nieuwe enzymen te ontwerpen die de gewenste reacties uitvoeren in een levende cel. Een Zwitsers team is dat nu voor het eerst gelukt. Dankzij hun kunstmatige enzym voert de bacterie E. coli een chemische reactie uit die in de natuur niet voorkomt. Ze publiceerden hun werk afgelopen week in Nature. Gerard Roelfes, hoogleraar Biomoleculaire Chemie & Katalyse aan de Rijksuniversiteit Groningen, werkt zelf ook aan kunstmatige enzymen, maar was niet betrokken bij dit onderzoek. Hij reageert enthousiast op het verzoek van NEMO Kennislink om de publicatie te becommentariëren. “Het is heel mooi werk. Het was een van dé grote uitdagingen in dit veld om een levende cel een niet-natuurlijke reactie te laten uitvoeren met behulp van een artificieel enzym. Dat is hen nu voor het eerst gelukt. Een geweldig resultaat, nu weten we dat het kan.”

Beste van twee werelden

De natuur beschikt over een ongelooflijk grote hoeveelheid verschillende enzymen. Waarom is het de moeite waard ook nog kunstmatige enzymen te maken? Omdat je dan het beste van twee werelden kunt combineren, aldus Roelfes. “De natuur is heel erg goed in het efficiënt maken van ingewikkelde moleculen. Daar kunnen chemici niet aan tippen. Maar het repertoire aan chemische reactiemogelijkheden in de natuur is beperkt. Dus zodra je iets wilt veranderen aan een molecuul of je wilt een molecuul maken dat in de natuur niet voorkomt, dan loop je met biosynthese snel vast.”

Hier komt de kracht van de chemie op de hoek. Scheikundigen zijn juist heel goed in het gericht veranderen van een molecuul en het ontwerpen van nieuwe moleculen met gewenste eigenschappen. “Wij hebben een enorm arsenaal aan chemische mogelijkheden tot onze beschikking. Door kunstmatige enzymen te ontwerpen combineren we de synthetische kracht van de natuur met het brede aanbod aan reacties van de chemie, zodat we heel efficiënt precies die moleculen kunnen maken die we willen.” Denk bijvoorbeeld aan de werkzame stoffen in geneesmiddelen. Vaak zijn dat ingewikkelde moleculen die in de natuur niet voorkomen, maar die in het lab moeilijk te maken zijn. Of het zijn stoffen die heel sterk lijken op natuurlijke moleculen, maar net een kleine aanpassing nodig hebben. Ook dan kan een kunstmatig enzym uitkomst bieden.

Relevante reactie

De Zwitsers combineerden voor hun nieuwe enzym het natuurlijke eiwit streptavidine met biotine (vitamine B8). Van deze combinatie is bekend dat ze heel sterk aan elkaar ‘plakken’. Aan het biotine koppelden ze nog een extra chemische groep die het metaal ruthenium (Ru) bevat. Dat is een bekende katalysator om alkenen te maken. Alkenen zijn moleculen die een dubbele koolstofbinding hebben. Een goede keus, vindt Roelfes. “Ze laten het nieuwe enzym een zogeheten metathese reactie uitvoeren en dat is een van de meest gebruikte manieren om een alkeen te maken. Dit is voor chemici een heel relevante toepassing.”