Nieuwe enzymen voor de milieuvriendelijke productie van aminozuren

Aminozuren zijn belangrijke stoffen voor biologisch onderzoek en interessante bouwstenen voor de productie van chemicaliën en medicijnen. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen pasten het enzym methylaspartaat ammonia lyase aan door middel van ‘gerichte evolutie’ in het laboratorium. Zo ontwikkelden ze biokatalysatoren voor de synthese van nieuwe aminozuren – een methodiek die belangrijke voordelen biedt voor het milieu. De resultaten verschenen afgelopen weekend online in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Nature Chemistry.

In de aangepaste vorm kan het enzym gebruikt worden voor de synthese van een groot scala aan nieuwe gesubstitueerde aspartaatmoleculen. Dat zijn aminozuren die van nut kunnen zijn in onderzoek naar hersenziekten als Alzheimer en Parkinson; onderzoek dat – zo hopen de onderzoekers - zal leiden tot het ontwikkelen van medicijnen voor de preventie van deze ziekten. Maar ook de voedingsindustrie heeft belangstelling voor aspartaatderivaten die als bouwstenen voor de productie van nieuwe zoetstoffen (als alternatief voor aspartaam) kunnen dienen.

Selectief

In zijn natuurlijke vorm is het enzym methylaspartaat ammonia lyase erg selectief. Het is alleen tot activiteit van enige betekenis te verleiden als het zijn natuurlijke substraten ammonia en methylfumaraat krijgt aangeboden. De reactie leidt dan tot slechts één aminozuurproduct: 3-methylaspartaat.

Uitdaging

Met andere, niet-natuurlijke substraten, zoals gesubstitueerde amines en fumaraatmoleculen, vertoont het enzym geen activiteit. Jammer, want daarom is het niet geschikt voor biotechnologische toepassingen. Een aantal jaren geleden namen verschillende groepen aan de Rijksuniversiteit Groningen de handschoen op en startten onderzoek dat moest leiden tot het verbreden van het substraatspectrum van dit enzym, om zo het aantal aminozuren dat geproduceerd kan worden te vergroten.

Meer ruimte

Het aanpassen van enzymen voor het omzetten van niet-natuurlijke substraten is nooit eenvoudig. De gangbare methode is het maken van grote aantallen mutanten, die vervolgens worden getest op activiteit voor een bepaald substraat. Een kostbaar en tijdrovend proces. Gelukkig konden de Groningse onderzoekers beschikken over een al eerder gepubliceerde structuur van het enzym in de toestand waarin het een complex vormt met zijn natuurlijke substraat (zie figuur). Analyse van deze structuur gaf inzicht in de precieze interacties tussen enzym en het natuurlijke substraat.

Op basis van die kennis slaagden de onderzoekers erin om in het actieve centrum meer ruimte te creëren voor grotere substraatmoleculen. Zo werden twee varianten ontwikkeld die elk een opmerkelijk groot aantal niet-natuurlijke substraten kunnen binden en omzetten.

Onderzoek naar hersenziekten

Onderzoeker Gerrit Poelarends (farmaceutische biologie) is vooral blij met de nieuwe enzymvarianten, omdat die hem en zijn collega’s de mogelijkheid bieden om nieuwe stoffen te maken, die ze kunnen gebruiken om glutamaat-afhankelijke kanaal- en transporteiwitten in zenuwcellen te bestuderen. Het niet goed functioneren van deze eiwitten kan leiden tot het afsterven van zenuwcellen en is mogelijk gerelateerd aan het ontstaan van hersenziekten als Alzheimer en Parkinson. Stoffen die een remmende of activerende werking hebben op deze kanaal- en transporteiwitten zijn van nut in het onderzoek en kunnen een basis bieden voor een preventief geneesmiddel.

Maar ook de fabrikanten van voedingsmiddelen kunnen in de toekomst met de nieuwe biokatalysatoren aan de slag gaan. Nieuwe aspartaatderivaten zijn belangrijke bouwstenen voor voedingssupplementen. Bovendien biedt de biotechnologie voordelen voor het milieu, omdat de enzymen in water werken en chemische oplosmiddelen overbodig zijn. Poelarends: ‘Ook daar ligt voor ons een verdere uitdaging. We gaan werken aan het verhogen van de activiteit en stabiliteit van deze enzymen zodat ze ook industrieel toegepast kunnen worden.’

Samenwerking

Het onderzoek waarover de wetenschappers in Nature Chemistry berichten, is gedurende meerdere jaren uitgevoerd door een samenwerkingsverband van groepen van het Groningen Research Institute of Pharmacy, het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, het Center for Systems Chemistry en DSM Pharmaceutical Products. Onderzoeksfinanciering werd verkregen van NWO.

Noot voor de pers

Meer informatie: dr. Gerrit J. Poelarends

Referentie: Engineering methylaspartate ammonia lyase for the asymmetric synthesis of unnatural amino acids, Nature Chemistry, 29 april 2012. Auteurs: Hans Raj, Wiktor Szymański, Jandré de Villiers, Henriëtte J. Rozeboom, Vinod Puthan Veetil, Carlos R. Reis, Marianne de Villiers, Frank J. Dekker, Stefaan de Wildeman, Wim J. Quax, Andy-Mark W.H. Thunnissen, Ben L. Feringa, Dick B. Janssen en Gerrit J. Poelarends

Zie ook: http://dx.doi.org/10.1038/NCHEM.1338