Mens maakt eindelijk eiwit op maat

Synthetische eiwitten

Eindelijk kunnen eiwitten op de tekentafel worden ontworpen. Hoe één bepaalde 3D-vorm ontstaat uit een lange keten aminozuren was decennialang het probleem. Nu is er een doorbraak: software die dat kan uitrekenen.

Het heeft lang geduurd, maar voor het eerst kunnen mensen de 3D-vorm van een eiwit precies voorspellen. Dat is een doorbraak voor de fabricage van synthetische eiwitten. Daarom verdienen die design-eiwitten een plaats in de toptien van wetenschappelijke doorbraken van 2016, vindt de redactie van het tijdschrift Science. Je moet goed kijken om de doorbraak te zien: het is meer slow-science dan doorbraak-wetenschap geweest.

De driedimensionale vorm van een eiwit bepaalt hoe het eiwit werkt, als enzym, als bouwsteen, of bijvoorbeeld als nanomotor. Planten, bacteriën, dieren: alle leven gebruikt eiwitten. De mens heeft minstens 30.000 verschillende eiwitten nodig om te leven – mogelijk zijn het er tweemaal zo veel.

Eiwitten bestaan uit één of meer ketens van aan elkaar gekoppelde aminozuren. Doorgaans zitten er 50 tot wel 800 aminozuren in zo’n aminozuurketen. De natuur gebruikt 20 verschillende aminozuren om die ketens te maken. Een aminozuurketen van 200 aminozuren kan dus 20200 verschillende eiwitten vormen. Die zijn in de evolutie niet allemaal ontstaan. De grote ruimte die door de evolutie onbenut is gelaten is het speelveld van de eiwitontwerpers, schreef David Baker op 15 september in een review in Nature. Baker is de baas van het Institute for Protein Design van de University of Washington in Seattle en een grote naam, zo niet dé grote naam in het vakgebied van synthetische eiwitten.

In levende organismen worden eiwitten gemaakt aan de hand van genetische informatie. Iedere drie opeenvolgende DNA-basen in een gen bepalen de plaats van één aminozuren in de aminozuurketen waarvoor het gen codeert. De volgende drie basen in de genetische code bepalen de identiteit van het volgende aminozuur in de keten.

Al tijdens de eiwitsynthese in de levende cel, waarbij steeds één volgend aminozuur aan het vorige wordt gekoppeld, gaat de groeiende keten rollen en vouwen. Iedere aminozuurketen in levende cellen krijgt uiteindelijk een vaste driedimensionale vorm die is bepaald door zijn lengte en de plaats van de aminozuren in de keten.

Eiwitten kunnen van alles. Je kunt ermee bouwen en je kunt er een chemische industrie mee draaiend houden. In 1975 leerde de mens om genen te recombineren en sinds die tijd bestaat het diepe verlangen om zelf eiwitten te kunnen ontwerpen. Het liefst om ze dingen te laten doen waar de levende natuur tijdens 3,7 miljard jaar evolutie nog niet aan was toegekomen. Erg in de mode is nu om ‘doosjes’ te maken die bijvoorbeeld medicijnen naar een bepaalde plaats in het lichaam vervoeren.

Een aminozuurketen van eigen samenstelling maken is het probleem niet meer. Veruit het makkelijkst gaat het via een synthetisch gen. Dus: bedenk een aminozuurvolgorde, zoek de groepjes van drie basen op in de tabel die zegt welke code voor welk aminozuur codeert en stuur die erfelijke code per email naar een bedrijfje dat het gen synthetiseert. Veel bedrijven kunnen het gen inbouwen in een bacterie die het eiwit daarna massaal produceert.

Waar het bij deze doorbraak om ging was om op basis van de aminozuurketen te weten hoe het eiwit er in drie dimensies uitziet. En of er een gewenste werking is. De afgelopen jaren is in een groot samenwerkingsverband de software geperfectioneerd die vanuit een aminozuurketen een 3D-eiwitstructuur kan voorspellen. Dat is de langzame doorbraak. En wie het zelf nog eens wil proberen: fold-it is een mooie eiwitvouw-game waarvan de resultaten voor onderzoek worden gebruikt.