Enzym dat membraanlipiden maakt is allemansvriend

Cellen van alle organismen zijn omhuld door een membraan van zogeheten fosfolipiden. Een type fosfolipiden zijn de cardiolipines, die een unieke structuur hebben. Bij onderzoek naar de enzymen die zorgen voor de productie van cardiolipiden in de archaea (eencelligen die een apart domein van het leven vormen, ook wel oerbacteriën genoemd) ontdekten Groningse wetenschappers iets bijzonders. Eén enkel enzym van een oerbacterie kan een hele reeks natuurlijke en onnatuurlijke cardiolipiden maken, en nog andere fosfolipiden bovendien. Deze spectaculaire vondst met allerlei mogelijke toepassingen is gepubliceerd in het Journal of Biochemical Chemistry.

De meeste fosfolipiden in celmembranen bestaan uit een waterminnende kop met daaraan twee waterafstotende vetstaarten. Cardiolipines, die zo heten omdat ze voor het eerst in hartspiercellen zijn gevonden, wijken hiervan af: ze hebben vier staarten aan de kop. ‘We weten welke enzymen zorgen voor de aanmaak van cardiolipines in bacteriën en eukaryoten, cellen met een celkern. Maar we wisten niet welke enzymen dat in archaea doen’, zegt Marten Exterkate, de eerste auteur van het artikel.

Rare kop

Zijn belangstelling voor cardiolipines ontstond door zijn werk aan het maken van een synthetische minimale cel. ‘Onze groep aan de RUG richt zich daarbij op de groei van celmembranen, die plaatsvindt door de productie van fosfolipiden uit basale bouwstenen met behulp van enzymen.’ Omdat cardiolipines in alle celmembranen zitten zijn ze ook belangrijk voor de synthetische cel. Exterkate wilde weten welke enzymen zorgen voor de productie van de cardiolipines in archaea. ‘De lipiden in de celmembraan van deze oerbacteriën hebben een afwijkende structuur’, legt hij uit. ‘Bovendien kunnen archaea verschillende soorten cardiolipines maken, terwijl andere cellen één dominant type kennen. Bij archaea kan de kop bijvoorbeeld een enkele negatieve lading bevatten, of verschillende soorten suiker of sulfaatgroepen. En we wisten bijna niets over hoe die werden gemaakt.’

Exterkate doorzocht het erfelijk materiaal van verschillende archaea en vond een aantal genen die vermoedelijk betrokken waren bij de productie van cardiolipines. De meest veelbelovende kandidaat, uit de archaea Methanospirillum hungatei, bracht hij over naar een standaard laboratoriumbacterie. Het enzym dat dit gen produceerde kon hij vervolgens uit de bacterie halen en onderzoeken. ‘Toen we mogelijke bouwstenen bij dit enzym deden maakte dat inderdaad cardiolipines. Maar we zagen een cardiolipine met een hele rare kop.’ Die bleek te bestaan uit een molecuul dat het reactiemengsel neutraal moest houden.

Kieskeurig

‘Dat deed alle alarmbellen afgaan’, vertelt Exterkate. ‘Als dit enzym een willekeurig molecuul uit de reactiebuffer als kopgroep kan gebruiken, wat kan het dan nog meer?’ Een heleboel, zo blee, het enzym kon allerlei varianten van cardiolipines en andere fosfolipiden maken, met zowel natuurlijke als niet-natuurlijke bouwstenen voor de kop. ‘Sommige enzymen zijn niet zo kieskeurig: ze kunnen met bepaalde moleculen reacties uitvoeren, maar ook met varianten daarvan. Maar dit enzym was daar extreem in.’ Het kon in zijn eentje cardiolipines maken waar bijvoorbeeld bacteriën een groot aantal verschillende enzymen voor nodig hebben.

Dit is het eerste enzym met het vermogen om een hele reeks verschillende cardiolipines te maken dat is ontdekt. Exterkate: ‘Andere archaea hebben genen die hier sterk op lijken, dus die maken vermoedelijk ook verschillende cardiolipines. Dit wijst erop dat de variatie in cardiolipines die we in archaea vinden gemaakt zijn door hetzelfde enzym.’ Deze verrassende ontdekking kan ook nuttig zijn: met dit enzym is het mogelijk allerlei verschillende zelfontworpen membranen te maken. De kopgroep van de fosfolipiden in de celmembraan is namelijk belangrijk voor de eigenschappen van de eiwitten die erin zitten. ‘De biotechnologische industrie kan met dit enzym kunstmatige membranen maken voor allerlei specifieke toepassingen’, zegt Exterkate.

Synthetische cel

De ontdekking van het allemansvriend-enzym roept de vraag op waarom archaea cellen zoveel verschillende cardiolipines nodig hebben. In de leerboeken vind je doorgaans maar één soort cardiolipine. Wel wordt het steeds duidelijke dat er een hele klasse van verschillende cardiolipines bestaat. Exterkate en zijn collega’s denken dat het enzym betrokken is bij de regulatie van de concentratie opgeloste stoffen. ‘Afhankelijk van de omgevingsinvloed kan het enzym verschillende soorten fosfolipiden gaan maken, zodat de eigenschappen van de celmembraan veranderen.’

Het enzym is ook handig voor de synthetische cel waar Exterkate en zijn collega’s aan werken. ‘We wilden een simpele membraan maken met zo min mogelijk verschillende fosfolipiden. Dan zouden we minder genen voor enzymen nodig hebben. Maar nu kunnen we misschien een heleboel verschillende fosfolipiden maken met maar één enzym.’

Referentie: Marten Exterkate, Niels A.W. de Kok, Ruben L.H. Andringa, Niels H.J. Wolbert, Adriaan J. Minnaard, Arnold J.M. Driessen: A promiscuous archaeal cardiolipin synthase enables construction of diverse natural and unnatural phospholipids. Journal of Biological Chemistry, first online as accepted 20 April