EVOLUTIE IN DE REAGEERBUIS LEVERT VERBETERDE EIWITTEN

Wie willekeurig aminozuren aan elkaar knoopt, heeft een kans van één op de honderd miljard om een werkend eiwit te krijgen. Tot die verrassende conclusie komen moleculair biologen van het Massachusetts General Hospital (Nature, 5 april). Daarnaast kan de werking van een natuurlijk eiwit snel en efficiënt worden verbeterd met behulp van een nieuwe DNA-shuffle techniek (Nature Biotechnology, april). Beide experimenten tonen aan dat de evolutionaire technieken in de reageerbuis steeds geavanceerder worden en dat onderzoekers dus steeds beter toegerust zijn om de natuur te verbeteren. De methodes vergroten de diversiteit van de gesynthetiseerde eiwitten, maar bieden geen oplossing voor de grootste bottleneck bij evolutionaire technieken in de reageerbuis: het eruit pikken van de beste eiwitten.

Met behulp van een DNA-bibliotheek synthetiseerden Anthony Keefe en Jack Szostak een astronomisch aantal (zes biljoen) verschillende eiwitfragmenten, elk met een lengte van tachtig aminozuren. Vervolgens testten ze deze op de mate waarin ze ATP binden, het molecuul dat de brandstof vormt voor alle processen die zich in een levende cel afspelen. Het DNA dat codeert voor de fragmenten die zich het sterkst hechtten werd gekopieerd en opnieuw tot expressie gebracht, en de rest weggespoeld. Na dit acht keer te hebben herhaald waren er nog maar vier eiwitfamilies over, die allemaal op een verschillende manier ATP aan zich wisten te binden. In geen enkel opzicht leken ze op de in de natuur voorkomende eiwitten met een zelfde functie. Om het evolutionaire proces nog beter na te bootsen werden vervolgens mutaties geïntroduceerd bij het kopiëren. Dat leidde er na een aantal `generaties' toe dat nog maar één familie overbleef die over de beste bindingseigenschappen beschikte. Het experiment laat zien dat het leven zoals we dat nu kennen zeker niet uniek is, maar slechts één van de vele biochemische mogelijkheden vertegenwoordigt.

Ook de werking van natuurlijke eiwitten is zeker voor verbetering vatbaar. Een daartoe recent ontwikkelde methode is de DNA-shuffle, waarbij een aantal verwante genen in stukken worden geknipt, om weer op willekeurige manier aan elkaar te worden gezet. Door de zo verkregen recombinaties tot expressie te brengen kunnen heel snel duizenden nieuwe eiwitvariaties worden uitgetest. De techniek werd in 1994 ontwikkeld door de Nederlandse Amerikaan Willem Stemmer.

Biotechnologen van het bedrijf Enchira uit Texas ontwikkelden onlangs een nog veel snellere methode. Waar in de klassieke shuffle nieuwe genen ontstaan door kortje stukjes dubbelstrengs DNA in een random volgorde aan elkaar te plakken gaat de nieuwe methode uit van stukjes enkelstrengs DNA die op een drager in een willekeurige volgorde achter elkaar worden gezet. Dat geeft een veel grotere diversiteit aan nieuwe eiwitten dan voorheen. Dubbelstrengs DNA-fragmenten hebben de neiging om weer in hun oorspronkelijke volgorde aan elkaar te hechten; de nieuwe enkelstrengs-methode omzeilt dit probleem.

De onderzoekers gebruikten hun methode om een eiwit te maken dat beter in staat is om zwavelverbindingen uit fossiele brandstoffen te verwijderen. Het bleek een zeer succesvolle benadering: met de nieuwe enzymen kon tot twee keer zoveel zwavel uit al zeer hoog ontzwavelde brandstof worden gewonnen, als met traditonele enzymen. Tot verrassing van de onderzoekers bleek de methode ook geschikt om een belangrijke farmaceutische basisgrondstof om te zetten. Analyse van dit soort synthetische eiwitten moet op termijn gaan leiden tot een beter begrip van de bijdrage die de verschillende delen van het eiwit leveren aan de werking ervan.

    • Rob van den Berg