Computer maakt enzym sneller en beter

Biotechnologen van de RUG hebben via gespecialiseerde software het enzym aspartase nieuwe eigenschappen gegeven. Het enzym is zodanig aangepast dat het hydroamineringsreacties kan uitvoeren. Collega’s in China hebben de productie van het enzym vervolgens opgeschaald en waren in staat tot een kilo aan zeer zuivere bouwstenen te maken voor geneesmiddelen en andere biologisch actieve stoffen. Dit succesvolle ‘proof of principle’ is op 21 mei gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemical Biology.

Enzymen zijn natuurlijke katalysatoren die onder milde condities hun werk doen. Ze vormen een aantrekkelijk alternatief voor niet-gekatalyseerde chemische reacties die vaak bij hoge temperatuur of druk plaatsvinden, wat veel energie kost, giftige afvalstoffen produceren of schadelijke oplosmiddelen gebruiken. Maar er is een probleem: voor lang niet alle reacties bestaat een geschikt enzym. ‘Daarom steken we veel tijd in het aanpassen van natuurlijke enzymen’, legt hoogleraar chemische biotechnologie Dick Janssen van het Groningen Biomolecular and Biotechnology Institute van de RUG uit.

Monte Carlo

De klassieke manier om enzymen aan te passen is door gerichte evolutie, een opeenvolging van mutaties en selectie in het lab, waarmee het mogelijk is nieuwe enzymen te maken met aangepaste mogelijkheden. Maar het maken en testen van honderden tot duizenden enzymvarianten in verschillende rondes na elkaar kost erg veel tijd. Het zou efficiënter zijn om de benodigde aanpassingen te ontwerpen op basis van structuur en eigenschappen van het enzym.

Maar ook dat is ingewikkeld, legt Hein Wijma uit. Hij is een expert in software voor het ontwerp van moleculen en deed het meeste computerwerk in het net gepubliceerde onderzoek. ‘Eiwitten zijn opgebouwd uit twintig verschillende aminozuren. Dus wanneer je een enzym op vier plekken wilt veranderen, zijn er twintig opties voor elk van die plekken. Dat is levert een enorme matrix van eiwitstructuren op.’ Zelfs in een supercomputer duurt het ontzettend lang om die opties een voor een te testen. Gelukkig bestaan er zogeheten Monte Carlo algoritmen die dit proces versnellen, door te zoeken naar de juiste trends in de enzymactiviteit.

‘Uiteindelijk was een speciaal computercluster aan de RUG er een paardagen mee bezig om de juiste oplossingen te vinden’, zegt Wijma. Daarvoor was er wel heel wat modelleerwerk nodig. ‘Je moet een goed model hebben van het reactieve centrum in het enzym, de holte waarin het substraat bindt. De afstanden tussen de aminozuren en hun relatieve posities en hoeken moet je nauwkeurig bepalen.’ Omdat het onderzoek uit ging van één enzym (aspertase) als startpunt voor het zoeken naar verschillende reacties begonnen ze steeds op hetzelfde punt. Ze moest alleen nog iedere keer de gewenste reactie modelleren. Wijma: ‘Als we nu een nieuwe aanpassing van aspartase zouden willen maken kost dat ons vermoedelijk een maand of drie.’

China

In het artikel beschrijven de biotechnologen vier verschillende aanpassingen, die allemaal een ammoniumgroep aan een molecuul zetten. Aspratase is van nature een deaminase die juist ammonium verwijdert, dus die reactie is omgedraaid. ‘Katalyse werkt altijd twee kanten op, dus dat was geen groot probleem’, vertelt Janssen. Voor iedere nieuwe reactie leverde de eerste selectie door het algoritme ongeveer honderd veelbelovende mutanten op. Die werden gecontroleerd op duidelijke fouten. Janssen: ‘Uiteindelijk bleven er tussen de vijf en de twintig mutanten over die we in het lab hebben gemaakt om te testen of ze inderdaad de gewenste reactie katalyseerden.’

De volgende stap was om succesvolle mutanten op grote schaal te produceren. ‘Dit werk is gedaan door een voormalig promovendus en postdoc uit onze groep, Bian Wu, die nu adjunct hoogleraar is in China’, vertelt Janssen. ‘Hij liet zien welke mutanten daadwerkelijk grote hoeveelheden van het gewenste eindproduct konden maken.’ Uiteindelijk bleek de omzetting van het substraat met een efficiëntie van 99 procent plaats te vinden. Ook leverden ze het juiste enantiomeer (een van twee spiegelbeeldvormen van het eindproduct) met 99 procent zuiverheid. En dat alles in hoeveelheden van ongeveer een kilogram, wat betekent dat de via de computer ontworpen enzymen bruikbaar zijn in de industrie. ‘Dit is een mooi bewijs dat deze aanpak werkt. We kunnen in de computer mutanten selecteren en dat resulteert in bruikbare enzymen’, concludeert Janssen.

Referentie: Ruifeng Li, Hein J. Wijma, Lu Song, Yinglu Cui, Marleen Otzen, Yu'e Tian, Jiawei Du, Tao Li, Dingding Niu, Yanchun Chen, Jing Feng, Jian Han, Hao Chen, Yong Tao, Dick B. Janssen and Bian Wu : Computational redesign of enzymes for regio- and enantioselective hydroamination. Nature Chemical Biology, 21 May 2018 (Advanced Online Publication). DOI 10.1038/s41589-018-0053-0