Biochemie; De tweede genetische code

WIM G.J. HOL (1945) is hoogleraar structuuronderzoek in de moleculaire biologie aan de Rijksuniversiteit Groningen.

"In de moleculaire biologie gaat het al dertig jaar voornamelijk over genen en DNA. Maar wat pas echt interessant is, dat zijn de eiwitten waarvoor die genen coderen. Men noemt de eiwitten vaak de werkpaarden van de cel, maar dat is een neerbuigende aanduiding die voorbijgaat aan de schitterende dingen die ze kunnen.

"Eiwitten zorgen voor stevigheid en structuur in de cel en ze katalyseren alle belangrijke biochemische reacties. Of het nu gaat om lichtinvang, energie-opwekking, defensiesystemen, communicatie, of elektronentransport, het zijn steeds de eiwitten die het doen (al helpt RNA hier en daar ook een handje). Vergeleken daarmee is DNA maar een dom molecuul. Natuurlijk, het is heel belangrijk, maar het is passief en kan zelf niets. Wanneer het DNA te ruste gaat, zijn het de eiwitten die het bed verzorgen. En wanneer het DNA moet worden gewekt, zijn het ook weer eiwitten die dat doen. Het leven is in de eerste plaats een spel van eiwitmoleculen.

"We weten dankzij technieken als de röntgendiffractie en de nucleaire magnetische resonantie (NMR) van een groot aantal eiwitten hoe ze in detail zijn opgebouwd. Doordat we de driedimensionale structuur hebben opgehelderd, begrijpen we vaak hun functie.

"De eigenschappen van een eiwit hangen direct af van de manier waarop het ruimtelijk is opgevouwen. En die opvouwing wordt weer gedicteerd door de volgorde waarin de bouwblokjes, de aminozuren, aan elkaar zijn geregen. Een van de grote nog overblijvende uitdagingen in de levenswetenschap is nu om in detail te kunnen voorspellen hoe een eiwit waarvan je alleen maar de aminozuurvolgorde kent, zich driedimensionaal opvouwt.

"Men noemt dit wel het probleem van de "tweede genetische code'. De eerste schrijft voor hoe een DNA-volgorde wordt omgezet in een aminozuurvolgorde. Die code is al een kwart eeuw geleden gekraakt. Maar hoe de aminozuurvolgorde zich vertaalt in een ruimtelijke structuur, daarover tasten we nog bijna geheel in het duister. Menig eiwit vindt zelf die structuur in luttele seconden, maar wij kunnen hem zelfs met de grootste supercomputer nog niet uitrekenen. Dat is het probleem van de tweede genetische code, veel lastiger dan de eerste.'

"Het eiwit-opvouwingsprobleem is echt verschrikkelijk ingewikkeld. Op het moment is er nog niet veel meer mogelijk dan voorspellen hoe kleine stukjes zich plaatselijk opvouwen tot standaard structuurelementen als de alfa-helix en het bèta-blad. Maar de vraag hoe het hele molecuul zich opvouwt, is nog veel te moeilijk.

"Toch ben ik er van overtuigd dat het probleem binnen laten we zeggen een eeuw zal zijn opgelost. Er zijn in principe twee manieren. De eerste is die van de analogie. Je hebt een volgorde die lijkt op een eiwit dat al bekend is en daar leid je uit af dat het er ongeveer net zo uitziet. Tegen de tijd dat je een paar duizend verschillende eiwitstructuren hebt bepaald, zul je wel ongeveer alle verschillende vouwpatronen hebben gehad. Dan is het alleen de kunst om van een nieuwe volgorde na te gaan waar het op lijkt, en klaar is Kees.

"Tot nu toe zijn er in totaal ongeveer 500 eiwitstructuren opgehelderd. Er zijn mensen die zeggen dat als we er nu maar een paar duizend verschillende hebben, we alle belangrijke structuurtypen wel zouden kennen. Daar zouden we de tweede genetische code dan redelijk goed mee moeten kunnen kraken. Op dit moment zijn we daar nog lang niet. We kennen pas zo'n honderd verschillende structuurtypen. Dat is nog niet veel, maar daar staat tegenover dat het met de structuuropheldering van eiwitten op het moment bijzonder hard gaat.

"De andere mogelijkheid is dat je het probleem veel fysischer gaat benaderen. Bijvoorbeeld door gebruik te maken van moleculaire dynamica. Dan maak je in de computer een model van een ontvouwen eiwitketen en laat je de moleculaire bewegingen van al die aminozuren doorrekenen. Behalve de atomen van het eiwit zelf zul je ook die van water in de simulatie moeten betrekken, want het water dat in een eiwitmolecuul zit, draagt ook sterk bij aan het ontstaan en de instandhouding van de structuur. Je zet de computer aan het werk en terwijl de simulatie loopt ga je naar huis. Wanneer je terugkomt heeft hij de structuur gevonden.

"Op het moment staan we daar natuurlijk nog mijlenver vanaf. Maar dat kan snel veranderen. Er zullen ongetwijfeld een aantal slimme trucs bedacht worden om het rekenproces te vereenvoudigen. Bovendien verdertigvoudigt tot nu toe elke tien jaar de computercapaciteit, dus zou je over 100 jaar 30¹º keer zo veel als nu kunnen. Dat zou een gigantische stap vooruit zijn, waarvan haast niet valt in schatten wat je er mee kunt doen. En je kunt op een gegeven moment ook cyclische processen krijgen. De computers hebben het mogelijk gemaakt om eiwitstructuren op te helderen, terwijl met eiwittechnologie wellicht weer snellere computers te maken zijn. Ik zie dus vooralsnog geen reden waarom die groei zou stoppen.

"Als deze aanpak lukt, heb je het opvouwingsprobleem begrepen op basis van uiterst fundamentele principes. In feite heb je dan de eigenschappen van eiwitmoleculen helemaal herleid tot quantumchromodynamica. Met een genest systeem van theorieën ga je vanuit de atoomkern en de elektronen die daar omheen draaien met een aantal vertaalslagen naar het atoom en het molecuul en uiteindelijk naar zoiets complex als een eiwit. De verbindingen tussen de niveaus zijn niet helemaal hard, maar wel goed te verdedigen.

"Dat is een droom waartegen denk ik niets valt in te brengen. Ik ben wat dat betreft een vrolijke, optimistische reductionist. Het opvouwingsprobleem is een numeriek probleem met zeer veel parameters. Er is niets hogers of geheimzinnigs aan, het is alleen allemaal een beetje erg complex.'

"Echt moeilijk wordt het pas wanneer je nog weer een niveau hogerop gaat. Stop 10.000 verschillende soorten eiwitten bij elkaar, doe er een membraan omheen, gooi er DNA, RNA en een stuk of wat metabolieten bij en je hebt een cel. Je wordt echt heel nederig als je eraan denkt hoe moeilijk het zal zijn om het gedrag daarvan reductionistisch te beschrijven. Laat staan als je dan ook nog gaat kijken naar een organisme dat is opgebouwd uit vele miljarden cellen.

"De komende decennia zal de tweede genetische code wellicht nog niet worden gekraakt. We zullen dus de structuren van eiwitten nog niet theoretisch kunnen voorspellen, maar we kunnen ze wel steeds beter en sneller experimenteel ophelderen.

"Op dit moment bestaan daarvoor drie technieken. De bekendste en de oudste is natuurlijk die van de röntgendiffractie, waarbij je uit het verstrooiingspatroon van röntgenstralen door een eiwitkristal de moleculaire structuur afleidt. Met die methode wordt soms een oplossend vermogen bereikt wordt van 1 Angström, ofwel 1 tienmiljoenste millimeter. Er valt in die maximale resolutie geen verdere progressie te voorzien. Dat is ook niet nodig, want individuele atomen beginnen al zichtbaar te worden bij een resolutie van 3,5 Angström. Twee Angström is voor alle standaardvragen meer dan voldoende.'

"De tweede techniek is NMR. Die wordt ook al maar krachtiger. Op dit moment kun je met NMR alleen moleculen tot een gewicht van ongeveer 30.000 dalton aan. Dat is niet veel voor een eiwit, maar de vooruitgang is razendsnel. Bovendien kun je met NMR ook specifiek kijken naar de interactie van een eiwitmolecuul met een klein ander molecuul, bijvoorbeeld een enzymsubstraat. Die interactie geeft zijn eigen pieken, die je afzonderlijk uit de gegevens kunt halen. Dat is heel handig, vooral als je uit röntgendiffractie de hele verdere structuur van het eiwit al kent.'

"Je kunt je natuurlijk afvragen wat nu het nut is van het steeds maar weer opnieuw ophelderen van eiwitstructuren. Op een gegeven moment heb je de belangrijkste klassen toch wel allemaal een keer gezien, en waarom zou je dan nog eindeloos doorgaan?

"Het antwoord daarop is tweeledig. In de eerste plaats zijn we nog volop bezig om de methoden te verbeteren. Als onderzoeker wil je nu eenmaal graag werken aan de grenzen van het kunnen. Dat is de technologische uitdaging. In de tweede plaats kun je op grond van de structuren die je hebt bepaald moleculen maken die nog niet bestaan en die eigenschappen bezitten waar de wereld om zit te springen. Dat kunnen zijn medicijnen en vaccins, betere computers, betere katalysatoren of betere sensoren.

"De belangrijkste toepassing is misschien wel die van het medicijnontwerp. Het principe is uiterst eenvoudig. Neem bijvoorbeeld de malariaparasiet. Met behulp van biochemisch onderzoek haal je daar een eiwit uit waartegen je een remmer of een medicijn wilt maken. Met moleculair-biologische technieken maak je een grote hoeveelheid van dat eiwit, je maakt er kristallen van en je bepaalt de driedimensionale structuur.

"Als je zover bent zou je in een nog te bouwen medicijn-ontwerpcomputer kijken op welke plaats je dat eiwit het best kunt aanvatten. Met behulp van die computer en je gezond verstand ontwerp je een molecuul dat precies past op een cruciaal stukje van het eiwit. Als je molecuul daaraan bindt, kun je de werking van het eiwit blokkeren. In de praktijk kom je dan terecht in een cyclisch proces, de zogeheten drug design cycle. Je maakt het molecuul dat je hebt ontworpen, je test het uit en verbetert vervolgens weer het ontwerp. Op het ogenblik wordt er op vele plaatsen in de wereld hard aan dit procédé gewerkt, vooral bij de farmaceutische bedrijven.

"Dat lukt voorlopig nog maar heel mondjesmaat, maar ik denk zeker dat het over vijftig jaar de normaalste zaak van de wereld is. Je hebt dan in je computer de structuur van een eiwit van een ziekteverwekker en je laat de computer zelf de tien beste moleculen uitzoeken om het eiwit mee te blokkeren. Uit een databank haalt hij dan ook nog de toxicologie van die tien moleculen, plus allerlei gegevens over de oplosbaarheid, transporteerbaarheid en de kostprijs van de synthese.'

"Het probleem is minder eenvoudig dan het lijkt, want voor elk medicijn of remmermolecuul heb je de keuze uit een bijna onbeperkt aantal mogelijkheden. Dat geeft veel vrijheidsgraden en kost dus erg veel computertijd. Maar het staat wel vast dat zo'n medicijn-ontwerpcomputer er aan gaat komen. Aan de software-kant zijn er al veel mensen daadwerkelijk mee bezig. En op dit moment worden er waarschijnlijk al belangrijke medicijnen mee ontworpen. Dat komen we niet precies te weten, omdat de farmaceutische bedrijven niet graag prijsgeven waar ze mee bezig zijn. Bovendien zijn ze er nog maar een jaar of vijf geleden mee begonnen, terwijl het ontwikkelen en op de markt brengen van een medicijn een lange aanlooptijd vergt. Maar over een paar jaar zullen de eerste medicijnen ongetwijfeld verschijnen, en daarna zal het steeds harder gaan. Ik zie het begin van de volgende eeuw in dat opzicht met bijzonder veel hoop tegemoet.

"Op het gebied van vaccins is er op het ogenblik een complete revolutie gaande. In principe kun je tegen elke eenvoudige ziekteverwekker een vaccin maken. Een probleem vormen de ziekteverwekkers die heel variabel zijn, zoals het AIDS-virus en de verwekker van de Afrikaanse slaapziekte. Een cocktail van vaccins tegen al die varianten is misschien niet haalbaar, omdat je daarmee te weinig antilichamen opwekt tegen elke variant afzonderlijk. Andere ziektekiemen doen zelfs aan actieve chemische oorlogsvoering.

"Een heel andere toepassing van protein engineering is het maken van biosensoren, moleculen die een chemisch signaal kunnen oppikken en omzetten in een elektrisch signaal. Zo zijn er al sensoren die een elektron afgeven als er glucose aanwezig is. De mogelijkheden zijn groot en op dat gebied zal er zeker veel bereikt worden.'

"Dat brengt me op het gebied van de zogeheten nanostructuurchemie, het imiteren van grote biomacromoleculen met behulp van kennis uit de polymeerchemie en de synthetische organische en anorganische chemie. Die vakgebieden zie je nu al steeds meer met elkaar versmelten. Je hoeft je niet te beperken tot de twintig aminozuren die in de natuur voorkomen en je kunt naar believen de meest uiteenlopende dingen en structuren maken, zoals draden, oppervlakken en wat niet meer.

"Zo zullen er betere katalysatoren worden ontwikkeld voor de industrie, maar ook veilige, immunologisch neutrale eiwit-coatings op lichaamsvreemde implantaten. En er zullen mogelijk ook schakelingen komen van eiwitten, die leiden tot biochips en misschien uiteindelijk tot snellere computers.

"Ik denk dat we de echt grote ontdekkingen in de biologie inmiddels wel zo'n beetje achter de rug hebben. Alle centrale vragen zijn op zijn minst al in globale termen beantwoord. Er blijven nog harde noten te kraken over, zoals de ontwikkelingsbiologie en het vraagstuk van het ontstaan van het leven. Maar begripsmatig is daar niets moeilijks aan. Het enige waar we nog steeds helemaal niets van begrijpen is het ontstaan van het bewustzijn.'