Skip to ContentSkip to Navigation
Over ons Faculty of Science and Engineering Nieuws

Enzymen bouwen voor een groenere chemie

18 oktober 2024
het gebruik van enzymen kan op veel verschillende manieren bijdragen aan een groenere toekomst. Foto David Alberts/Pexels

Wij kunnen – letterlijk – niet leven zonder enzymen: ze breken ons voedsel af en zijn cruciaal voor de werking van de hersenen en andere lichaamsfuncties. Hun belangrijkste taken zijn het versnellen van chemische reacties in en buiten onze cellen, en er voor zorgen dat de reacties op de juiste manier verlopen. Daarom zijn ze vaak ook nuttig voor onder meer de chemische industrie, de voedingsindustrie en om de was goed schoon te krijgen. De Rijksuniversiteit Groningen is zeker binnen Europa toonaangevend op het terrein van enzym-ontwikkeling, het aanpassen van enzymen om ze bruikbaar te maken voor toepassingen. 

FSE Newsroom | René Fransen

Enzymen leveren een belangrijke bijdrage aan het vergroenen van de chemische industrie. Vaak verlopen klassieke chemische processen in giftige oplosmiddelen, soms bij hoge temperatuur en druk. Maar enzymen werken onder omstandigheden die je in ons lichaam vindt: een matige temperatuur en een waterige omgeving. ‘Nieuwe Europese regels beperken het gebruik van giftige chemicaliën, dus enzymen vormen dan een goed alternatief’, zegt Marco Fraaije, hoogleraar Biochemie bij het Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB) van de RUG.

Enzymen

Enzymen zijn eiwitten die chemische reacties katalyseren (versnellen). Dat doen ze op verschillende manieren: ze kunnen er voor zorgen dat twee moleculen dicht bij elkaar komen in het ‘reactieve centrum’, andere enzymen binden zich aan een groot molecuul om het in stukjes te knippen, of chemisch aan te passen. De 3D structuur van het enzym is belangrijk voor de functie, net als de chemische eigenschappen van de bouwstenen ervan, de aminozuren. Bovendien gebruiken veel enzymen speciale ‘helper-moleculen’, de zogenoemde cofactoren.

Er zijn veel verschillende soorten enzymen, die specifieke moleculen in hun reactieve centrum kunnen binden, een specificiteit die is ontstaan door evolutie. Hun functie is bijvoorbeeld het maken van een bepaald product, zoals een vitamine of een signaalstof in de hersenen (neurotransmitter), of om ongewenste stoffen af te breken door ze in kleine stukjes te knippen.

De RUG heeft een lange geschiedenis in het ontdekken, bestuderen, aanpassen en zelfs bouwen van enzymen. Dat gaat terug tot 1968, toen in Groningen de tweede enzymstructuur ter wereld werd opgehelderd, door hoogleraar Structuurbiologie Jan Drenth. ‘We zijn één van de vooraanstaande centra in Europa als het gaat om enzyme engineering, het gericht bouwen van enzymen,’ zegt Fraaije. Samen met zijn collega’s Gerard Roelfes en Gerrit Poelarends heeft hij het initiatief genomen om alle enzymbouwers van de RUG samen te brengen in een virtueel onderzoekscentrum. Er zijn zo’n honderd wetenschappers bij betrokken, voornamelijk werkzaam in de onderzoeksinstituten GBB (Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute), het Stratingh Instituut voor Chemie, en GRIP, het Groningen Research Institute of Pharmacy. Fraaije: ‘We hebben allemaal verschillende specialiteiten, waarmee we elkaar aanvullen.’

decoratieve afbeelding
Papaine was de tweede enzymstructuur ter wereld die is opgehelderd. Tekening gepubliceerd in het originele artikel in 1968

Voorouderlijke enzymen reconstrueren

Fraaije heeft zelf bijvoorbeeld technieken ontwikkeld om de evolutionaire geschiedenis van een enzym te reconstrueren, waardoor het de verdwenen voorouderlijke enzymen opnieuw kan maken om te zien hoe ze werkten. Dat deed hij onlangs voor het laatste enzym in de productieketen voor vitamine C. Door dit soort reconstructies te maken ontdekte hij dat die voorouderlijke enzymen vaak stabieler zijn dan hun moderne nazaten. Waarom, dat is nog niet helemaal duidelijk. Fraaije: ‘Het kan zijn dat evolutie vooral selecteert op specificiteit van de reactie, ook als dat ten koste gaat van de stabiliteit.’ Die verminderde stabiliteit is in de natuur niet echt een probleem, omdat enzymen daar een hoge ‘turnover’ hebben, ze worden al snel vervangen door verse exemplaren. Maar voor toepassingen in de industrie moeten ze langer meegaan om economisch rendabel te zijn. Het bestuderen van voorouderlijke enzymen helpt Fraaije daarom bij het ontwikkelen van stabiele enzymen voor de industrie.

Enzymen zijn cruciaal in fermentatieprocessen, zoals voor bier
Enzymen zijn cruciaal in fermentatieprocessen, zoals voor bier. Foto CottonbroStudio/Pexels
Gebruik van enzymen kan op veel verschillende manieren bijdragen aan een groenere toekomst
In schoonmaakmiddelen zitten enzymen die onder meer eiwitten en vetten afbreken. Foto Karolina Grabowska/Pexels
In schoonmaakmiddelen zitten enzymen die vuil en vetten afbreken. Photo Karolina Grabowska/Pexels
Enzymen spelen een belangrijke rol in de kaasproductie. Foto Los Muertos Crew/Pexels
Enzymen in industrie en huishoudens

Er zijn veel industriële processen waarbij enzymen een rol spelen. Denk bijvoorbeeld aan het afbreken van cellulose uit planten tot suikers, die weer te gebruiken zijn voor de productie van biobrandstoffen als ethanol. De voedingsindustrie gebruikt enzymen bij de productie van onder meer kaas en bier. En de afwasmiddelen in zowel wasmachines als vaatwassers bevatten enzymen om eiwitten, vetten en olie af te breken. Meer ‘hightech’ is het gebruik van enzymen om specifieke bouwstenen te maken voor bijvoorbeeld geneesmiddelen. Enzymen kunnen ‘los’ gebruikt worden, maar ook in een micro-organisme: een voorbeeld is fermentatie, waarbij micro-organismen zoals gisten kool omzetten in zuurkool, of druivensap in wijn. Die omzettingen vinden plaats door de enzymen in deze eencellige organismen.

Nieuwe enzymen maken

Gerard Roelfes (hoogleraar Biomoleculaire Chemie en Katalyse bij het Stratingh Instituut) gebruikt een andere benadering bij het ontwerpen en bouwen van enzymen. Alle enzymen zijn katalysatoren, maar niet alle katalysatoren zijn enzymen. Roelfes begint met zo’n niet-enzymatische katalysator, die hij vervolgens koppelt aan een eiwit dat zelf geen enzymatische activiteit heeft. Zo ontstaat een enzym dat niet eerder bestond in de natuur. Onlangs maakte hij een enzym waarin het reactieve centrum boorzuur bevat. Het atoom boor komt in geen enkele biologische molecuul voor, maar staat wel bekend als een goede katalysator in de chemie.

decoratieve afbeelding
TIM (triosefosfaatisomerase) zorgt voor efficiente energieproductie in het lichaam. Model van het enzym door Yikrazuul/Wikipedia

Waarom neemt hij zo’n omweg om enzymen te maken? ‘Door een katalysator te koppelen aan een eiwit dat wordt geproduceerd door een bacterie kan ik gerichte evolutie gebruiken om de katalytische eigenschappen te verbeteren,’ legt Roelfes uit. Voor gerichte evolutie maken onderzoekers verschillende varianten van een enzym, waarna het best functionerende exemplaar wordt geselecteerd. Vervolgens maken ze van die variant weer nieuwe varianten die opnieuw geselecteerd worden, enzovoorts.

Een ander voordeel van enzymen is dat ze vaak efficiënter werken dan niet-enzymatische katalysatoren: ze zorgen voor snellere en meer specifieke reacties. ‘In de chemische industrie verbruiken enzymatische reacties minder energie en verlopen de reacties sneller. Bovendien ontstaan er doorgaans minder afvalstoffen.’

Enzymen bouwen via gerichte evolutie

Enzymen zijn eiwitten, en eiwitten worden gemaakt door cellen. De informatie om een bepaald eiwit te maken ligt vast in het DNA van een organisme. Wanneer wetenschappers een enzym willen veranderen via gerichte evolutie, moeten ze dus de DNA-code voor het enzym aanpassen. Daarom is DNA technologie een belangrijk stuk gereedschap voor alle enzymbouwers.

Met die technologie is het mogelijk om mutaties te maken op specifieke plaatsen in het DNA, waardoor het enzym wordt aangepast. Deze mutanten zijn vervolgens te testen op de gewenste activiteit. De mutant die het beste werkt wordt het uitgangspunt voor een nieuwe reeks mutanten, die ook weer worden getest op hun activiteit. Dit proces heet gerichte evolutie.

Een probleem bij het gebruik van gerichte evolutie is dat het controleren van de activiteit van alle varianten van het enzym nogal tijdrovend is. Een nieuwe manier om dat te doen is ‘doorlopende evolutie’. Hierbij wordt de gewenste reactie van het enzym gekoppeld aan de overleving van de cel – hoe meer van het reactieproduct zo’n cel maakt, hoe beter het kan overleven. Op die manier is het niet nodig alle mutanten afzonderlijk te testen, de wetenschappers hoeven alleen de best overlevende cellen te verzamelen.

‘De farmaceutische industrie produceert gemiddelde honderd kilo afval om één kilo product te maken. Foto Achor Uteno/Pixabay
'De farmaceutische industrie produceert gemiddelde honderd kilo afval om één kilo product te maken.' Foto Achor Uteno/Pixabay
Door enzymen te gebruiken in het productieproces van geneesmiddelen kan afval worden gereduceerd. Foto Polina Tankilevitch/Pexels
Door enzymen te gebruiken in het productieproces van geneesmiddelen kan afval worden gereduceerd. Foto Polina Tankilevitch/Pexels

Afval verminderen in de farmaceutische industrie

Voor Gerrit Poelarends (hoogleraar Farmaceutische Biotechnologie bij GRIP) is het terugdringen van afval bij medicijnproductie een belangrijke reden om enzymen te gebruiken. ‘De farmaceutische industrie produceert gemiddelde honderd kilo afval om één kilo product te maken. Dat is meer dan in de petrochemische industrie.’ Door enzymen te gebruiken voor de productie van bouwstenen van geneesmiddelen, in plaats van chemische katalysatoren, wil Poelarends dit proces duurzamer maken. ‘Daarnaast zoeken we ook naar duurzame grondstoffen om mee te beginnen.’

Het doel van Poelarends is om delen in het bestaande productieproces voor geneesmiddelen te vervangen door meer duurzame bouwstenen. ‘Er zijn heel veel fabrieken die geneesmiddelen maken, en het zou een enorme investering vergen om allemaal nieuwe fabrieken te bouwen. Onze duurzame bouwstenen zijn te gebruiken in de huidige productielijnen.’ Zijn onderzoeksgroep richt zich vooral op het maken van complexe aminozuren, die in de hersenen signalen tussen hersencellen kunnen versterken of verzwakken, en daarmee bepaalde hersenfuncties aanpassen. Net als zijn collega’s gebruikt Poelarends gerichte evolutie om de meest effectieve enzymen te maken. Daarnaast ontwikkelt hij ook enzymen die hun energie halen uit zonlicht, wat de reacties die ze uitvoeren nog duurzamer maakt. In alle gevallen moeten de enzymen die hij ontwerpt zorgen voor een betere, schonere en goedkopere productie van geneesmiddelen.

Werken met de industrie – of zelf een bedrijf starten

De enzym-onderzoekers van de RUG werken nauw samen met de Nederlandse industrie, zoals de multinational DSM-Firmenich. En het maken van enzymen die door de industrie gebruikt zullen worden is nog altijd het belangrijkste doel van dit soort onderzoek.  Veel onderzoek is er op gericht processen in de chemische industrie duurzamer en rendabeler te maken.

Een ander praktisch resultaat van dit onderzoek is het ontstaan van start-up bedrijfjes. De afgelopen twintig jaar zijn er verschillende bedrijfjes opgezet vanuit de Faculty of Science and Engineering. Een overzicht:

CarbExplore maakt ‘functionele koolhydraten’ in voedsel of voor andersoortige toepassingen. Zij gebruiken bijvoorbeeld enzymen om zetmeel, sucrose en lactose om te zetten in stoffen die de textuur van voedsel aanpast en het gezonder maakt.

EV Biotech richt zich op fermentatie, en ‘herprogrammeert’ micro-organismen om nuttige chemische stoffen te maken. Hiervoor passen ze enzymen aan in stofwisselingsketens van die organismen.

GECCO Biotech is een bedrijf dat enzymen aanpast voor toepassing in verschillende productieketens, onder meer in de chemie en geneesmiddelenproductie.

Bij al deze bedrijven werkt een flink aantal wetenschappers die zijn opgeleid binnen de verschillende RUG-onderzoeksgroepen die zich bezig houden met enzymontwikkeling.

Laatst gewijzigd:18 oktober 2024 15:58
View this page in: English

Meer nieuws

  • 11 december 2023

    Join the 'Language and AI' community

    As a part of the Jantina Tammes School, the 'Language and AI' theme is an interdisciplinary initiative that aims to encourage collaboration among academics, PhD candidates, students, and industry representatives who share a keen interest in the...