Nieuw enzym door één enkele mutatie

Biochemici van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van prof. Marco Fraaije hebben de functie van een enzym compleet veranderd door er slechts één verandering in aan te brengen. Het nieuwe enzym katalyseert een belangrijke stap in een veelgebruikt chemisch proces. Fraaije zoekt nu samen met partners uit de industrie uit of het enzym buiten het lab aan de verwachtingen voldoet.

In veel chemische reacties is de cofactor NADP⁺ onmisbaar. Deze verbinding dient om vrijkomende elektronen op te nemen, waardoor de cofactor wordt omgezet in NADPH. ‘Het is een nogal kostbare verbinding, dus voor biotechnologische processen wil je NADPH graag weer regenereren tot NADP⁺’, legt Fraaije uit. Daar was tot nu toe echter een ingewikkelde chemische reactie voor nodig.

‘We wisten dat er een enzym bestond uit de klasse van de monooxygenases, dat normaal gesproken een zuurstof atoom in een verbinding zet met behulp van NADPH. Maar dit enzym kan ook een reactie uitvoeren waarbij een volledig zuurstof molecuul (O₂) wordt gereduceerd tot waterstofperoxide, waarbij tegelijkertijd NADPH in NADP⁺ wordt omgezet. Alleen verloopt die reactie uiterst traag.’ De biochemici namen het bacteriële gen voor dit enzym en brachten er op specifieke plekken mutaties in aan. ‘We wisten welk deel van het eiwit verantwoordelijk was voor de reactie met zuurstof. Die plekken wilden we veranderen om van een monooxygenase en oxidase te maken.’

Op die manier ontstond er een kleine verzameling mutanten, die zijn onderzocht op hun activiteit. ‘Eentje stak duidelijk boven de rest uit, die kon zeer efficiënt NADPH oxideren tot NADP⁺, precies zoals we wilden.’ In deze mutant was slechts één aminozuur (aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten) veranderd; een cysteïne werd een aspartaat. ‘Die twee aminozuren lijken sterk op elkaar. Het verschil bestaat uit slechts drie atomen, terwijl het complete enzym uit ongeveer 45.000 atomen atomen bestaat.’

Dit nieuwe enzym katalyseert de reactie die van NADPH weer NADP⁺ maakt, en daarvoor alleen zuurstof nodig heeft. Het enige bijproduct is waterstofperoxide. ‘En we hebben geen andere chemicaliën nodig, alleen het enzym. Daarmee is deze reactie erg aantrekkelijk voor gebruik in industriële processen.’ De bevindingen zijn begin december gepubliceerd in het tijdschrift Journal of the American Chemical Society.

Fraaije werkt inmiddels samen met twee verschillende bedrijven, om te zien of het geslaagde laboratoriumexperiment ook in de praktijk van de chemische industrie werkt. ‘Een ander voordeel van dit enzym is dat het stabiel is bij hoge temperaturen en in verschillende oplosmiddelen. Er bestaan ook natuurlijke enzymen die deze reactie katalyseren, maar die zijn niet stabiel genoeg voor gebruik in een industriële setting.’

De onderzoeksgroep van Marco Fraaije is onderdeel van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute (GBB), Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen, Rijksuniversiteit Groningen.

Referentie: Finding the Switch: Turning a Baeyer-Villiger Monooxygenase into a NADPH Oxidase. Patrícia B. Brondani , Hanna M. Dudek , Christian Martinoli , Andrea Mattevi , and Marco W. Fraaije . J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja508265b