Nature: VUB'er werkt mee aan nieuwe techniek waarmee gerichte evolutie mogelijk wordt
Een nieuwe techniek, op basis van Nucleaire Magnetische Resonantie-spectrometrie (NMR), kan het ontwerpen van eiwitten met nieuwe functies nu veel simpeler maken, zo blijkt uit de publicatie NMR-guided Directed Evolution in het toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift Nature waarvan VUB-onderzoeker Alexander Volkov van het Center for Structural Biology mede-auteur is. Met Nucleaire Magnetische Resonantie wordt het veel eenvoudiger om te volgen hoe een eiwit zijn vorm aanpast tijdens het binden van moleculen, waardoor er flink wat tijd bepaard wordt in die ontwerpfase van nieuwe eiwitten.
Evolutie is in vele gevallen een kwestie van toevallige mutaties tijdens het kopiëren van het DNA, een proces dat vele duizenden of miljoenen jaren in beslag neemt en dat geleid heeft tot de diversiteit van het leven op aarde. Door de mutaties krijgen de eiwitten die geprogrameerd staan in het DNA een gewijzigde driedimensionele vorm, waardoor ze andere eigenschappen krijgen. Vergelijk het met een slot dat van vorm verandert, en er zo enkel nog een nieuwe sleutel in past. Hetzelfde principe wordt met wisselend succes gebruikt door wetenschappers om eiwitten met nieuwe, interessante eigenschappen te maken, bokvoorbeeld voor de afbraak van plastics of afvalstoffen. Maar het is een omslachtig en tijdrovend proces. “Op een eenvoudig eiwit heb je enkele honderden posities die elk twintig mogelijke variaties in vorm kunnen aannemen” zegt Volkov. “Als je per seconde één van die combinaties zou kunnen testen, dan heb je evenveel tijd nodig als de tijd die verstreken is sedert het ontstaan van het heelal, tot je er één vindt die de gewenste eigenschappen heeft. Met NMR hebben een techniek die je helpt te zien in welke posities een eiwit zijn vorm aanpast wanneer het een molecule bindt. Zo kan je de mogelijke plaatsen en variaties beperken tot een tiental, waardoor je heel snel de eigenschappen van een eiwitten kan aanpassen in de gewenste richting.”
De techniek opent perspectieven op vele vlakken. In Nature beschreven de onderzoekers de resultaten van het experiment met myoglobine, een eiwit dat van nature een rol speelt in de opslag van zuurstof. De onderzoekers gebruikten de NMR techniek om te zien hoe en waar myoglobine reageert wanneer het werd blootgesteld aan een nieuwe molecule waarop de onderzoekers een chemische reactie wensten uit te voeren. Door in myoglobine op deze plaatsen drie mutaties aan te brengen werd het eiwit omgezet in een zeer efficiënt katalysator van de gewenste reactie, met een kracht die vergelijkbaar is met deze van natuurlijke enzymes die duizenden jaren evolutie ondergaan hebben. Met NMR ligt de weg nu open naar een snelle en efficiënte engineering van heel veel verschillende en ongekende eiwitten, waarvan de werking in veel gevallen niet eens op voorhand gekend is.
“Gerichte evolutie met NMR-spectrometrie maakt dat allemaal relatief toegankelijk”, besluit Volkov. “Je neemt een eiwit en een of meer moleculen en je probeert die te binden op de met NMR gedetecteerde hot spots op de eiwitten. Op een volledig natuurlijke manier krijg je zo nieuwe eiwitten, helemaal biologisch, met zuiver groene chemie. Met de techniek kan je in de farmaceutische bedrijven aan de slag om nieuwe geneesmiddelen te designen of om nieuwe toepassingen te ontwikkelen in de bio-industrie, zoals de afbraak van ongewenste chemische producten.”
Meer info:
Alexander Volkov: [email protected]
Han Remaut: 0499/70 80 50