Meer mogelijk met biomassa

Het is zonde om biomassa – plantaardig afval – helemaal af te breken tot de kleinste bouwsteentjes. “Als je een deel van de structuren in zetmeel of cellulose intact kunt houden, zouden dat kostbare grondstoffen voor de chemische industrie zijn”, vertelt Marco Fraaije. De biochemicus en microbioloog, een specialist in enzymtechnologie, is altijd op zoek naar enzymen die een industriële toepassing hebben.

Begin juli leverden zijn inspanningen hem een onderzoekbeurs van 600.000 euro op van onderzoekfinancier NWO. “We gaat onderzoek doen naar enzymen die zetmeel en andere complexe koolhydraten kunnen oxideren”, legt Fraaije uit. Er zijn al heel veel hydrolyserende enzymen beschreven, die koolhydraten afbreken in simpele suikers die dan bijvoorbeeld gebruikt worden om bio-ethanol mee te maken. Maar er zijn niet zoveel enzymen bekend waarmee je koolhydraten kunt aanpassen, bijvoorbeeld via oxidatie. En gemodificeerde koolhydraten zijn een belangrijke grondstof voor de chemische industrie.

“Met geoxideerde koolhydraten kun je lijm maken, of plastic. En er zijn toepassingen in de papierindustrie, als middel om papier waterafstotend te maken.” Het is mogelijk om complexe koolhydraten langs chemische weg te oxideren, maar, zegt Fraaije, die methoden zijn niet erg specifiek en bovendien nogal vervuilend. “Met eenvoudige chemische technieken kan je bijvoorbeeld alleen alle koolstofatomen in een glucosemolecuul oxideren, terwijl enzymen dat heel specifiek met slechts een van de atomen doen.” En enzymen werken het best bij kamertemperatuur en in water, dus zonder vervuilende chemicaliën of extra energie voor verhitting.

Met de onderzoekbeurs gaat Fraaije een nieuwe klasse enzymen bestuderen. “We hebben oorspronkelijk één zo’n enzym ontdekt. Met als uitgangspunt de 3D eiwitstructuur en de gen sequentie hebben we ontdekt dat er vermoedelijk honderden vergelijkbare enzymen bestaan, vooral bij schimmels en bacteriën.” Kenmerkend voor deze enzymen is dat ze grote moleculen kunnen oxideren. “Een enzym heeft een actief centrum waar de reactie plaatsvindt, meestal een soort holte in het eiwit. De grootte van die holte bepaalt hoe groot het molecuul is dat zo’n enzym kan aanpakken.”

Bij de nieuwe klasse enzymen die Fraaije gaat bestuderen zit het actieve centrum aan het oppervlak. “Gene holte, maar meer een soort groeve aan de buitenkant. Deze enzymen zijn nog steeds heel specifiek in de reactie die ze uitvoeren, maar de grootte van de moleculen die ze verwerken maakt niet zoveel uit.” Om een oxidatie uit te voeren hebben deze enzymen een cofactor nodig, meestal een flavine (vitamine B2) molecuul. “Een interessante observatie is dat bij veel oxiderende enzymen die flavine vast zit met één covalente binding tussen flavine en enzym. Op die manier zijn die twee onderdelen echt geïntegreerd. Maar in de nieuwe enzym-klasse zit de flavine vast met twee covalente bindingen.”

Fraaije vermoedt dat de dubbele binding bedoeld is om te voorkomen dat het flavine molecuul gaat draaien. “In andere enzymen zit de flavine vast in de nauwe holte die de actieve site vormt. Maar bij deze nieuwe enzymen zit de flavine in de groeve aan de buitenkant, en is een steviger verbinding nodig.” Dit is een voorbeeld van het soort puzzels die moeten worden opgelost om meer begrip te krijgen van de relatie tussen vorm en functie van een enzym, wat nodig is wanneer je zelf enzymen wilt ontwerpen of aanpassen. “Als wetenschapper vind ik dat een uitdaging. Je wilt toch weten waarom zo’n dubbele covalente binding is geëvolueerd.”

En er zijn meer interessante zijpaadjes die betrekking hebben op de flavine cofactor. “In de literatuur heb ik gevonden dat het menselijk lichaam een probleem heeft met het afbreken van eiwitten met een covalent gebonden flavine. En het blijkt dat eiwitfragmenten met flavine er nog een sterke allergische reactie op kunnen roepen.” Dit is geen onderdeel van zijn project. “Maar het is fascinerend om te zien hoe er verband bestaat tussen enzymtechnologie en gezondheid, twee takken van wetenschap die zo anders zijn.”

Fraaije zal het onderzoek uitvoeren in samenwerking met aardappel zetmeel bedrijf Avebe en een klein Nederlands biotechnologiebedrijf, Dyadic. Dit laatste bedrijf is gespecialiseerd in de productie van enzymen met behulp van schimmels. In het lab van Fraaije zullen een promovendus en een postdoc de nieuwe klasse enzymen karakteriseren. “We willen beter begrijpen hoe ze werken.” De industriële partners gaan op basis van het onderzoek commerciële toepassingen ontwikkelen voor interessante enzymen. De onderzoekbeurs die Fraaije ontvangt is onderdeel van het NWO TA-Biomassa programma, dat zich richt op het stimuleren van zo optimaal mogelijk gebruik van biomassa als grondstof voor de bulkchemie en de fijnchemie. Het project heeft een looptijd van vier jaar.