Supersnel nieuwe enzymen ontwerpen

Voor veel chemische reacties bieden enzymen een groen alternatief. Maar het is een hele klus om enzymen te ontwerpen die kunnen doen wat de chemische industrie nodig heeft. Hein Wijma en Robert Floor, onderzoekers aan de Rijksuniversiteit Groningen, hebben een manier gevonden om dat ontwerpproces flink te versnellen door het grotendeels in de computer te laten plaatsvinden.

Chemische synthese is soms een vieze boel, waar veel energie voor nodig is en waarbij giftige stoffen betrokken zijn. Synthese met behulp van enzymen is veel schoner, het vindt plaats in water bij relatief lage temperatuur. Ook zijn er doorgaans geen giftige hulpstoffen nodig. Maar de natuur voorziet niet in enzymen voor alle reacties die de chemische industrie gebruikt. Daarom is het ontwerpen van nieuwe enzymen een belangrijk onderzoeksterrein.

‘De standaard techniek om nieuwe enzymen te ontwikkelen is geleide evolutie’, vertelt Hein Wijma. Wetenschappers maken dan een grote ‘bibliotheek’ met mutanten van een bepaald enzym, en zoeken daarin naar een enzym dat de juiste activiteit vertoont. ‘Het testen van duizenden mutanten kost veel tijd. Daarom hebben wij geprobeerd mutanten in de computer te selecteren.’ Een manier om de beste mutanten te vinden is het gebruik van ‘high-throughput’ moleculair dynamische simulaties, die de interactie laten zien tussen de mutanten en het substraat.

‘Alleen vragen dat soort simulaties nogal wat rekentijd op de computer’, zegt Wijma. Hij vroeg zich af of kortere simulaties ook nuttige resultaten kunnen opleveren. ‘Een normale simulatie beschrijft 22 nanoseconden. Ik probeerde een zeer korte simulatie van maar 10 picoseconden (een picoseconde is een duizendste nanoseconde). Die was bedoeld als negatieve controle, ik verwachtte daar helemaal geen resultaat van.’

Maar wat bleek? De simulaties van 10 picoseconde bleken goed te voorspellen welke mutanten de gewenste interactie met het substraat aangingen. De resultaten zijn op 2 februari gepubliceerd op de website van het tijdschrift Angewandte Chemie. ‘We zagen dat de meeste actie tussen enzym en substraat op hele korte tijdschalen plaatsvindt. Door een aantal van deze korte simulaties te doen van dezelfde enzym/substraat combinatie, elk met een iets verschillend startpunt, kregen we een heel goede kijk op die interactie. Dat verraste ons behoorlijk!’

In het artikel dat net is gepubliceerd past Wijma deze techniek toe op een epoxide hydrolase enzym (zie onder voor meer technische details). Hij screende zo’n drieduizend mutanten in de computer. ‘Dat kostte anderhalve week rekentijd op honderd computerkernen van het universitaire computercluster. Als we voor al die mutanten een volledige simulatie van 22 nanoseconden hadden willen doen, zou dat bijna drie jaar hebben gekost.’

De screening leverde 37 veelbelovende mutanten op, die vervolgens in het lab zijn getest. ‘Anderen hebben een vergelijkbare mutant gezocht met alleen geleide evolutie en laboratoriumtesten. Zij bekeken 4700 mutanten, wat hen vermoedelijk een jaar heeft gekost.’ Met 37 mutanten onderzocht Wijma amper een procent van dat aantal, dus het laboratoriumwerk was honderd keer minder. ‘En we kregen een vergelijkbaar resultaat.’

De techniek lijkt dus prima te werken. Een eerder artikel van Wijma dat de basisprincipes van zijn methode beschreef heeft al flink wat aandacht getrokken van collega onderzoekers op universiteiten en in de industrie. ‘Nu kunnen we laten zien dat het niet alleen een leuke theorie is, maar dat het in de praktijk echt werkt.’

Referentie: Wijma HJ, Floor RF, Bjelic S, Marrink SJ, Baker D, Janssen DB Enantioselective Enzymes by Computational Design and In Silico Screening Angew Chem Int Ed Engl, Advanced Online Publication.

Over epoxide hydrolase enzymen

Deze enzymen reageren met een epoxide, een reactieve groep die een groen alternatief vormt voor vergelijkbare groepen met giftige stoffen als chloor, broom of jood. Het enzym kan de epoxide in een diol omzetten en dat levert twee varianten op met verschillende chiraliteit.

Chiraliteit is een vorm van asymmetrie binnen moleculen die te vergelijken is met het verschil tussen een linkerhand (aangegeven met de S van sinister, Latijn voor links) en een rechterhand (R). Bij geneesmiddelen komt het nogal eens voor dat of de S, of de L vorm de actieve stof is terwijl de andere variant niets doet of zelfs bijwerkingen veroorzaakt.

De experimenten die Wijma en collega’s beschrijven in het artikel waren gericht op het ontwerpen van enzymen die selectief een S of een L diol vormen, uitgaand van een enzym dat beide varianten produceert.

(Illustratie: Wikipedia)