Simpel modelsysteem imiteert enzym gallactose oxidase

Miljoenen jaren van evolutie zijn er de oorzaak van dat planten en bacteriën soms chemische trucs uit kunnen halen die scheikundigen met geen mogelijkheid kunnen nabootsen. Zo ontdekten Haber en Bosch pas in 1913 een methode om stikstof uit de lucht te 'binden', dat wil zeggen om te zetten in ammoniak, een belangrijke grondstof voor de chemische industrie.

Maar waar zij hoge drukken en temperaturen nodig hadden, doen bacteriën het in een petrischaaltje bij kamertemperatuur. Ze maken daarbij gebruik van een speciaal enzym, nitrogenase, dat inmiddels al zo'n dertig jaar onderwerp is van intense studie. In het hart van het eiwit bevinden zich een aantal clustertjes (bestaande uit ijzer, molybdeen en zwavel) aan het oppervlak waarvan de reacties zouden plaatsvinden. Maar hoewel in 1993 de structuur van deze metaalsulfide-klompjes werd opgehelderd, is nog niemand er in geslaagd om de werking ervan helemaal te begrijpen, laat staan in de reageerbuis te imiteren. Zo is bijvoorbeeld nog altijd niet zeker of een stikstofmolecuul wel in de holte past. Wat inmiddels wel vast staat is dat de eiwitketen een belangrijke rol speelt, want als de clustertjes worden geïsoleerd, kan de reactie met stikstof niet meer plaatsvinden.

In maart vorig jaar verschenen al twee artikelen waarin aan de hand van modelverbindingen een aantal hypotheses ten aanzien van het mechanisme van de stikstofbinding kon worden getoetst (Science, 7 maart 1997). Maar zoals in een begeleidend commentaar al werd opgemerkt, maakten deze resultaten de lijst met mogelijke reacties alleen maar langer, en helderden ze in feite niet veel op. Nitrogenase bleef voorlopig nog even een mysterie.

In Science (23 januari 1998) laten scheikundigen van Stanford University echter zien dat de hoop niet al te snel moet worden opgegeven. Zij slaagden erin om de werking van een ander belangrijk enzym, galactose oxidase, te imiteren met behulp van een relatief eenvoudig modelsysteem. Dit enzym zet alkoholen om in aldehyden, die weer als grondstof dienen voor andere essentiële verbindingen. Alles draait hierbij om de aanwezigheid van een koperatoom, dat omringd door water en andere chemische groepen precies in de juiste positie gehouden wordt om de gewenste reacties te laten plaatsvinden.

De onderzoekers kopieerden de structuur van deze actieve site rond het koper zo nauwkeurig mogelijk en ontdekten toen dat hun model nog actief was ook. Hoewel de reactie veel te langzaam verloopt om van enig praktisch nut te zijn, bieden de nu verkregen resultaten hoop op verbetering. Alleen al als het mogelijk zou worden om dergelijke chemische reacties te laten verlopen zonder dat allerlei bijproducten worden gevormd, zou al heel veel gewonnen zijn. Ook is duidelijk aangetoond dat het wel degelijk mogelijk is om de natuur naar de kroon te steken. Wellicht kan in de nabije toekomst ook de energieverslindende Haber-Bosch reactie door een efficiënt 'nitrogenase-model' worden vervangen.