ROBOX: nieuwe enzymen en mooi filmpje

Zijn collega Ben Feringa ontving onlangs de Nobelprijs Chemie voor zijn werk aan kunstmatige moleculaire motoren. RUG-hoogleraar Marco Fraaije werkt aan het verbeteren van natuurlijke moleculaire machines, enzymen, om ze geschikt te maken voor gebruik in de industrie. Binnen het Europese onderzoeksproject ROBOX heeft hij al een aantal verbeterde enzymen gemaakt. Een filmpje dat het project toelicht is bekroond tijdens het IFFR film festival in Groningen.

Zijn vakgebied is ‘enzyme engineering’, het gericht aanpassen van enzymen. Marco Fraaije bestudeert de structuur van deze doorgaans grote eiwitten en zoekt manieren om ze te verbeteren. ‘Binnen het ROBOX project maken we enzymen geschikt voor gebruik in industriële processen’, vertelt hij.

Om te laten zien wat er binnen ROBOX gebeurt gaf Fraaije opdracht voor het maken van een korte film over het project. Naast uitleg en beelden uit het lab zien we ook een kunstenaar die nieuwe onderdelen aan een complexe structuur last. Biologen herkennen hier al snel een complex eiwit in. Het model staat nu in de gang bij het kantoor van Fraaije. ‘Het is niet helemaal de werkelijkheid, maar het geeft een goed beeld’, vertelt hij.

Robuuster

Enzymen zijn natuurlijke machientjes die chemische reacties in het lichaam verzorgen. Ze voelen zich daarom vooral thuis in water en bij lichaamstemperatuur. ‘Industriële processen spelen zich doorgaans af in andere oplosmiddelen en bij een hogere temperatuur’, legt Fraaije uit. Maar zelfs bij toepassingen onder ‘natuurlijke’ omstandigheden is het handig de enzymen robuuster te maken: ‘Ze gaan dan langer mee, wat de kosten drukt.’

In het project ROBOX, gefinancierd door het Europese onderzoeksprogramma Horizon2020, werken 19 partners (zowel universiteiten als industrie) samen om robuuste enzymen te ontwikkelen waarmee de industrie oxidatieve reacties kan uitvoeren. Voor dit soort reacties zijn nu vaak hoge temperaturen en zware metalen nodig. Gebruik van enzymen kan de reacties groener maken, maar ook specifieker.

Mutaties

De taak van Fraaije is om aanpassingen te bedenken die bestaande enzymen geschikt maken voor industrieel gebruik. ‘Binnen ROBOX zijn tien oxidatie-reacties uitgekozen waar we een alternatief met enzymen voor willen vinden. Wij zitten aan het begin van de pijplijn en zoeken de juiste enzymen.’ Uniek aan de Groningse aanpak is dat de benodigde aanpassingen in eerste instantie uit de computer komen. ‘Als de structuur van een enzym bekend is, kunnen wij de gevolgen van aanpassingen snel doorrekenen.’

De klassieke aanpak is om het gen van een veelbelovend enzym op min of meer willekeurige plaatsen te muteren en dan vele duizenden mutanten in het lab te screenen. Fraaije doet eerst een selectie in de computer, door het effect van mutaties door te rekenen. ‘Dan kiezen we pakweg honderd veelbelovende mutanten die we echt maken en testen in het lab.’ Dit versnelt de zoektocht naar nieuwe, robuuste mutanten aanzienlijk.

Het ROBOX project loopt inmiddels bijna twee jaar en voor alle tien reacties is inmiddels een enzym gevonden en aangepast. ‘Nu is het aan de collega’s binnen het project om te zien of ze voldoen aan alle eisen. Als dat niet zo is, komen ze weer terug bij ons voor nieuwe aanpassingen.’

Wat is er voor een wetenschapper interessant aan het maken van enzymen voor de industrie? ‘Het gaat om de relatie tussen de structuur en de functie van een enzym. Je kunt alleen robuuste enzymen maken wanneer je dat goed begrijpt. En dat begrip is van belang voor het maken van nieuwe, nuttige enzymen.’ Behalve aan de industriële processen werkt Fraaije bijvoorbeeld ook aan enzymen die nieuwe antibiotica kunnen maken. ‘En er is een oxidatief enzym dat de bacterie die tuberculose veroorzaakt resistent maakt. Een beter begrip van enzymen kan ons helpen daar iets aan te doen.’

Prijs

Tijdens het IFFR in Groningen heeft de video Enzyme Engineering, over het onderzoek prof.dr.ir. Marco Fraaije, de prijs voor Beste Groninger Film gewonnen. De video, gemaakt door Sensu, won in de categorie Beste Opdrachtfilm.

Het ROBOX project ( Expanding the industrial use of Robust Oxidative Biocatalysts for the conversion and production of alcohols) is bijna twee jaar geleden van start gegaan. In totaal is er ongeveer 12 miljoen euro beschikbaar. Marco Fraaije geeft leiding aan Enzyme engineering and identification of oxidative enzymes , één van de zeven ‘work packages’. Daarnaast is hij betrokken bij de work packages Process benchmarking & evaluation en Project Management . Het Groningse aandeel is goed voor 1 miljoen uit het totale budget. De algehele coördinatie ligt bij chemieconcern DSM.