Nieuw ontworpen enzym werkt dankzij niet-natuurlijk aminozuur

Scheikundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een nieuw enzym gemaakt waarvan het actieve centrum een niet-natuurlijk aminozuur bevat. De basis van dit enzym bestaat uit een bacterie-eiwit dat antibiotica bindt en daardoor de activatie van genen regelt. Verdere aanpassing kan verschillende enzymen opleveren die bruikbaar zijn voor chemische synthese. Het onderzoek is op 2 juli gepubliceerd in Nature Chemistry.

De industrie is druk op zoek naar milieuvriendelijke alternatieven voor chemische processen, die vaak veel energie verbruiken of waarbij giftige stoffen nodig zijn. Enzymen zijn zo’n alternatief. Deze eiwitten versnellen reacties maar werken bij normale temperaturen en in gewoon water. Alleen is het aantal reacties dat natuurlijk enzymen kunnen uitvoeren beperkt in vergelijking met wat gewone chemie kan bereiken. ‘Daarom is het ontwerp van nieuwe enzymen de laatste jaren een belangrijk onderzoeksthema’, zegt RUG hoogleraar Biomoleculaire Chemie Gerard Roelfes.

Er zijn verschillende manieren om nieuwe enzymen te ontwikkelen. Maar tot nu toe beperken onderzoekers zich bij het ontwerpen van de actieve kern van enzymen nog altijd tot de twintig aminozuren die de natuur gebruikt voor het maken van eiwitten. Daarom is het aantal reacties dat deze nieuwe enzymen kunnen uitvoeren nog steeds te beperkt, zegt Roelfes: ‘Wij denken dat de mogelijkheden van designer enzymen flink zijn te vergroten door ook niet-natuurlijke aminozuren in te bouwen.’

Geneesmiddel

Zijn team begon het nieuwste ontwerp met een zogeheten transcriptiefactor uit een bacterie. Dit LmrR eiwit regelt de activiteit van genen in de bacterie Lactococcus lactis en reageert op antibiotica, maar katalyseert zelf geen reacties. Het bestaat uit twee identieke eiwitten die een ‘dimeer’ vormen met een centrale holte en eruit ziet als een donut. In de nestelen zich graag moleculen die niet zo van water houden. Roelfes en zijn team gebruikten een zogeheten uitgebreide genetische code om het niet-natuurlijke aminozuur p-aminofenylalanine in het LmrR eiwit in te bouwen, op zo’n manier dat een aniline-groep van het aminozuur in de centrale opening uitsteekt. ‘Aniline is een bekende katalysator die gebruikt wordt in synthetische chemische, maar het is geen sterke katalysator. Door die groep in de opening van LmrR te zetten neemt de katalyse snelheid sterk toe, met ongeveer een factor duizend.’

Dit nieuw ontworpen enzym kan organische moleculen aan elkaar koppelen door een zogeheten hydrazon structuur te vormen, een reactie die veel gebruikt wordt in medische biotechnologie om bijvoorbeeld een geneesmiddel te koppelen aan een antilichaam. ‘In onze experimenten gebruikten we een reactie die een kleurstof oplevert, zodat we de activiteit van het enzym gemakkelijk kunnen testen.’ Het team van Roelfes is nu bezig met aanpassingen van het enzym om de efficiëntie verder te verbeteren en om het verschillende specifieke reacties te laten katalyseren.

Nuttig

‘Er zijn allerlei mogelijkheden om dit enzym in te zetten bij chemische synthese’, zegt Roelfes. ‘En we kunnen ook andere niet-natuurlijke aminozuren inbouwen zodat er nog meer reacties mogelijk zijn.’ Hij is er zeker van dat veel meer nuttige enzymen te maken zijn, door het combineren van dit soort nieuwe katalytische eigenschappen met de brede voorkeur voor moleculen van de holte in het LmrR eiwit.

Referentie
Ivana Drienovská, Clemens Mayer, Christopher Dulson and Gerard Roelfes: A designer enzyme for hydrazone and oxime formation featuring an unnatural catalytic aniline residue. Nature Chemistry 2 July 2018. DOI 10.1038/s41557-018-0082-z