De natuur voorbij

Chemici slagen er steeds beter in ook langere eiwitketens te synthetiseren. Op maat gemaakte synthetische eiwitten geven inzicht in de werking van natuurlijke eiwitten.

In het laboratorium van het Cardiovascular Research Institute (CARIM) aan de Universiteit van Maastricht zet biochemicus en KNAW-fellow Tilman Hackeng eiwitten in elkaar. Hij doet dat ``zonder tussenkomst van welk biologisch systeem dan ook'', en probeert zo de natuur te evenaren. Dat is niet eenvoudig. Eiwitten zijn ketens van aminozuren en daarvan kunnen er volgens een in de jaren zestig ontwikkelde techniek effectief zo'n veertig aan elkaar gezet worden. De meeste eiwitten zijn echter veel langer, vandaar dat er chemische trucs verzonnen moeten worden om een eiwit uit verschillende kleinere stukken (peptiden) op te bouwen.

Hackeng is er onlangs in geslaagd een eiwit te maken met een lengte van 116 aminozuren, dat een rol speelt bij het remmen van de bloedstolling (Proceedings of the National Academy of Sciences U.S.A., 19 december 2000). Dat illustreert tegelijk een van de potentiële voordelen van de chemische eiwitsynthese. Eiwitten met een therapeutische werking worden nu met behulp van recombinant DNA gesynthetiseerd door bacteriën of geïsoleerd uit menselijk bloedplasma. Dat brengt echter altijd een zeker besmettingsrisico met zich mee. Via chemische reacties kunnen bovendien op specifieke plaatsen bepaalde chemische groepen worden toegevoegd of vervangen. Zo kunnen synthetische eiwitten goed van pas komen om meer inzicht te verkrijgen in de manier waarop natuurlijke eiwitten functioneren. Het valt echter niet mee om `in de reageerbuis' een eiwit te synthetiseren.

De eerste die daar in slaagde was de Amerikaanse chemicus en Nobelprijswinnaar Bruce Merrifield. Hij kwam op het briljante idee om het eerste aminozuur van de toekomstige eiwitketen vast te zetten op een klein harsbolletje en daar elk volgend aminozuur als kralen aan een ketting aan vast te rijgen. Hackeng: ``Om te voorkomen dat het nieuw toegevoegde aminozuur met zichzelf reageert, heeft het aan één uiteinde een beschermgroep. Daardoor kan het alleen een verbinding aangaan met de groeiende eiwitketen op het bolletje. Na het verwijderen van de beschermgroep kan dan een volgend aminozuur aangekoppeld worden, waardoor uiteindelijk stapsgewijs het beoogde eiwit(-fragment) tot stand komt.''

behoHet probleem is alleen dat elke nieuwe koppeling van een aminozuur niet voor de volle 100% verloopt: er treden nevenreacties op en het eiwit begint zich tijdens de vorming al te vouwen, waardoor het aanzetten van nieuwe aminozuren bemoeilijkt kan worden. Daardoor neemt de opbrengst af naarmate er meer aminozuren aaneengeregen zijn. Hackeng: ``Soms voelt een eiwit zich prettig en neemt het een voor de synthese gunstige structuur aan. In dat geval kan het behoorlijk lang worden, maar in het algemeen is de effectieve lengte van peptiden uit de reageerbuis dertig tot vijftig aminozuren.''

Die moet je daarna dus aan elkaar zien te zetten, maar dat is een kunst die Hackeng zich de afgelopen jaren eigen heeft gemaakt op het Scripps Research Institute in La Jolla, Californië. Hackeng: ``Vroeger konden peptiden alleen aan elkaar gezet worden via onnatuurlijke chemische bindingen. Die zijn meestal instabiel en kunnen een eiwitstructuur verstoren. Tijdens mijn eerste jaar in de VS ontwikkelde Phil Dawson – een promovendus in de groep van Stephen Kent waar ik werkte – een methode waarmee je wel een natuurlijke peptidebinding kunt krijgen. Dat betekende een echte doorbraak, maar zijn methode was bewerkelijk en bovendien beperkt tot een aantal aminozuren. Daarom bedachten we samen een methode die breed en voor eenieder toepasbaar is.''

De truc was om in één stap na de peptidesynthese een speciaal thioester-uiteinde te vormen dat graag reageert met het veel voorkomende aminozuur cysteïne aan het uiteinde van het andere peptide. Uit deze verbinding ontstaat vervolgens spontaan een natuurlijke peptidebinding.

Hackeng en zijn collega's richtten zich in eerste instantie op het eiwit proteïne S, dat samen met een ander eiwit betrokken is bij het remmen van de bloedstolling. Mensen die een van beide eiwitten missen, bijvoorbeeld als gevolg van een erfelijke afwijking, hebben een verhoogd risico op trombose. Hackeng: ``We zijn er in geslaagd om de eerste 116 aminozuren van proteïne S aan elkaar te zetten, uitgaande van drie peptiden. Maar als je dat microproteïne S eenmaal hebt gemaakt, dan ben je er nog niet. Een eiwit wordt namelijk pas actief als het zijn juiste driedimensionale vorm heeft aangenomen.''

De aanvankelijk langgerekte eiwitketen moet zich daarom nog `opvouwen' en daarbij speelt het aminozuur cysteïne een belangrijke rol. Dat kan namelijk reageren met andere cysteïnes in de eiwitketen. Daarbij worden zwavelbruggen gevormd die het eiwit in de juiste vorm houden. Eén van de stukjes waar het microproteïne S uit bestaat bevat niet minder dan zes cysteïnes. Uit eerder onderzoek was gebleken dat het heel moeilijk is om die cysteïnes in dit geïsoleerde stukje op de juiste manier met elkaar te laten reageren. Tot grote verrassing van Hackeng gebeurde dat in het microproteïne S echter spontaan. Hackeng: ``Het lijkt er sterk op dat de andere twee peptiden dit moeilijk te vouwen derde stuk helpen om zijn juiste vorm te vinden. Dit is in overeenstemming met een al meer dan vijfentwintig jaar oude theorie dat in de aminozuurvolgorde van een eiwit de essentiële informatie ligt opgeslagen voor de juiste vouwing van dat eiwit.'' Dat het microproteïne S echt de juiste vorm wist te vinden, bleek uit laboratoriumproeven waarin het actief bleek te zijn bij het remmen van de bloedstolling.

emmers vol

Terug in Nederland kreeg Hackeng de ruimte en apparatuur om binnen CARIM een chemisch eiwitsynthese laboratorium te starten. In dat laboratorium, dat uniek is in Europa, wil hij verder gaan met het onderzoek naar de samenhang tussen structuur en functie van het volledige eiwit proteïne S, dat uit 635 aminozuren bestaat: ``Het is voorlopig niet haalbaar om dat helemaal chemisch in elkaar te zetten. Daarom laten we E. coli-bacteriën er emmers vol van maken, waarna we een stuk ervan vervangen door een chemisch gesynthetiseerd domein. Door het inbouwen van zo'n chemisch verkregen peptide kunnen we natuurlijk de gehele chemische trukendoos loslaten op de wereld van grote eiwitten, bijvoorbeeld door op specifieke plaatsen fluorescerende groepen aan te brengen, of bepaalde aminozuren te vervangen door onnatuurlijke varianten. Onderzoek met dergelijke hybride eiwitten zal zeker meer inzicht bieden in de manier waarop het proteïne S trombose helpt te voorkomen.''

    • Rob van den Berg