Nieuw enzym met twee kunstmatige onderdelen

Kort & bondig

RUG onderzoekers hebben een nieuw enzym gemaakt dat een belangrijke reactie uit de organische chemie kan katalyseren (versnellen). Zij voegden een kopercomplex toe aan een eiwit zonder enzymatische werking. Daarna plaatsten zij een niet-natuurlijk aminozuur in het eiwit. Samen met het koper kon dit aminozuur de gewenste reactie versnellen. De methode om niet-natuurlijke groepen toe te voegen aan een eiwit is te gebruiken om allerlei nieuwe enzymen te maken. Die kunnen dan de gebruikelijke chemische katalyse vervangen en zo de chemische industrie schoner en energiezuiniger maken.

Onderzoekers van de RUG hebben een eiwit zonder enzymatische activiteit omgebouwd tot een werkend enzym door er twee niet-biologische bouwstenen aan toe te voegen: een niet-natuurlijk aminozuur en een kopercomplex. Het is de eerste keer dat een enzym is gemaakt met twee niet-biologische groepen. Het onderzoek laat zien dat synergie tussen kunstmatige groepen een belangrijke bijdrage kan leveren aan de ontwikkeling van nieuwe enzymen. De resultaten zijn op 10 februari gepubliceerd in Nature Catalysis.

Enzymen zijn natuurlijke katalysatoren, ze versnellen chemische reacties onder milde condities. Daarom zijn ze een aantrekkelijk alternatief voor chemische katalyse, die vaak plaatsvindt bij een hoge temperatuur of druk en afhankelijk is van giftige metalen en oplosmiddelen. Maar lang niet alle chemische reacties in de industrie kunnen door natuurlijke enzymen worden uitgevoerd. Het aanpassen van bestaande enzymen kan dit probleem deels oplossen, maar RUG hoogleraar Biomoleculaire Chemie Gerard Roelfes denkt dat het maken van compleet nieuwe enzymen ook een belangrijke bijdrage kan leveren.

'Natuurlijke enzymen zijn geëvolueerd om specifieke reacties te versnellen. Wanneer je die probeert aan te passen, moet je de evolutionaire specialisatie weer terugdraaien. Daarom zijn wij begonnen met het maken van nieuwe, niet-natuurlijke enzymen', vertelt hij. In 2018 presenteerde hij een niet-enzymatisch eiwit, de bacteriële transcriptiefactor LmrR, waar hij het niet-natuurlijk aminozuur p-aminofenylalanine in had gezet. Daardoor kon het eiwit organische moleculen aan elkaar koppelen door een zogeheten hydrazon structuur te vormen. Dit was het eerste enzym ooit met een niet-natuurlijk aminozuur als katalytisch centrum.

Nu hebben Roelfes en zijn postdoc Zhi Zhou hetzelfde LmrR voorzien van twee niet-biologische katalytische onderdelen. De eerste is opnieuw het niet-natuurlijke aminozuur p-aminofenylalanine, het tweede een kopercomplex. Beide zijn in staat de verschillende componenten voor de klassieke Michael-additie te activeren. Deze reactie wordt veel gebruikt in de organische chemie om koolstof-koolstof verbindingen te maken. 'Maar beide onderdelen moeten zich wel in precies de juiste positie bevinden om efficiënt en selectief te werken', zegt Roelfes. Wanneer je ze als losse componenten in een reageerbuis stopt gebeurt er niets: 'Sterker nog, ze schakelen elkaar uit wanneer ze contact maken.'

Het kopercomplex zet zichzelf spontaan vast aan het donut-vormige LmrR eiwit, via een supramoleculaire binding. 'De positie hiervan is bepaald door de interactie met het eiwit’, legt Roelfes uit. ‘Op basis daarvan hebben we uitgezocht waar de p-aminofenylalanine moest komen te zitten om een actief centrum te vormen.' Het katalytische deel van het aminozuur is een aniline zijketen. 'Uit mijn ervaring in organische chemie wist ik dat die nuttig is voor katalyse en kon ik zien hoe deze het best was te combineren met het koper.' Toen de eerste versie van het nieuwe enzym was gemaakt, bleek dat de inzichten van Roelfes klopten: het aangepaste eiwit was een zeer selectieve katalysator voor de Michael-additie.

'Dit onderzoek was bedoeld om ons idee te testen’, zegt Roelfes. ‘Het enzym werkt nog niet snel genoeg om te gebruiken in de industrie, maar met standaard technieken zoals gerichte evolutie is die snelheid nog wel te verbeteren.' Het experiment laat zien dat het mogelijk is twee niet-biologische katalysatoren samen te voegen om een nieuw enzym te vormen. Op die manier zijn ook andere soorten enzymen te maken. 'Cruciaal voor onze techniek is dat de moleculaire biologie die nodig is voor het inbouwen van niet-natuurlijke aminozuren te gebruiken is door niet-specialisten zoals wij', aldus Roelfes. Nu dit zo is kunnen de onderzoekers in zijn groep naar hartenlust nieuwe enzymen maken.

Het inbouwen van niet-natuurlijke aminozuren is tot nu toe vooral gebruikt om onderzoek te doen naar katalytische mechanismen en de structuur-functie relatie van enzymen. Onlangs publiceerde Roelfes een toekomstvisie in Nature Catalysis, samen met zijn voormalige promovendus Ivana Drienovská, die nu aan de Technische Universiteit van Graz werkt. Hierin beschreef hij het gebruik van genetisch gecodeerde niet-natuurlijke aminozuren in enzymen. 'Voor mij is het maken van nieuwe, niet in de natuur voorkomende enzymen de meest spannende toepassing.'

Referentie: Zhi Zhou and Gerard Roelfes: Synergistic catalysis in an artificial enzyme by simultaneous action of two abiological catalytic sites. Nature Catalysis 10 February 2020.

Toekomstvisie: Ivana Drienovská & Gerard Roelfes: Perspective: Expanding the enzyme universe with genetically encoded unnatural amino acids. Nature Catalysis, 6 January 2020.