Enzymen vervullen heel specifieke functies en verbruiken weinig energie. Daarom zijn biokatalysatoren ook interessant voor de chemische industrie. In een overzichtsartikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuur beoordelingen Chemie , Professor Thomas Happe en universitair hoofddocent Anja Hemschemeier van de werkgroep Fotobiotechnologie van de Ruhr-Universität Bochum hebben een samenvatting gegeven van wat er bekend is over de mechanismen van enzymen in de natuur. Bovendien, schetsen de auteurs een toekomstvisie:kunstmatige biokatalysatoren die niet op eiwitten zijn gebaseerd, zoals ze meestal in de natuur zijn, maar die eerder gemaakt zijn van DNA. Het artikel is gepubliceerd op 17 augustus 2018.

"Het opzetten van een biobased, enzymaangedreven industrie zou van enorme waarde zijn, zowel omwille van de klimaatbescherming als om economische redenen, ’ zegt Thomas Happé.

Eiwit-cofactor-interacties zijn cruciaal

In de natuur, de meest gecompliceerde en energie-intensieve reacties worden vaak uitgevoerd door zeer complexe eiwitten. Ze bevatten cofactoren die niet uit eiwitten bestaan; liever, ze zijn gebaseerd op anorganische stoffen, vaak metalen. In hun artikel, Hemschemeier en Happe gaan dieper in op het belang van atomaire details voor eiwit-cofactor-interacties in zogenaamde metallo-enzymen.

De chemische samenstelling van de cofactor is een cruciaal element voor het begrijpen van het precieze reactiemechanisme van een metallo-enzym. Onderzoekers hebben individuele atomen van een cofactor gemanipuleerd om de betekenis ervan te ontcijferen. "Echter, dit is niet altijd een gemakkelijke taak, " zegt Happe. "Dat komt omdat scheikundigen de cofactor kunstmatig moeten genereren, en het synthetische construct moet op een natuurlijke manier interageren met het eiwitgedeelte van het enzym."

Semi-synthetisch enzym vervaardigd

Een paar jaar geleden, een team onder leiding van Thomas Happe slaagde erin het waterstofproducerende enzym hydrogenase te karakteriseren. In samenwerking met chemici, ontwikkelden de biologen een semi-synthetisch hydrogenase-enzym, waarin ze elk afzonderlijk atoom van de cofactor kunnen vervangen. Zo kunnen ze ontrafelen hoe eiwit en cofactor precies samenwerken.

Hydrogenasen kunnen nuttig worden ingezet in de industrie, om de potentiële energiedrager waterstof te produceren. Maar natuurlijke hydrogenasen zijn niet erg stabiel, vooral wanneer ze worden blootgesteld aan lucht. "Daarom, we vroegen ons af of we deze enzymen konden herontwerpen naar robuustere versies, " legt Thomas Happ uit.

"De literatuur geeft al veel voorbeelden voor het ontwerpen van kunstmatige eiwitten, ", legt Anja Hemschemeier uit. "Echter, eiwitten zijn vaak te onstabiel om aan de eisen van de industrie te voldoen."

Meer stabiliteit door DNA

Bijgevolg, de biotechnologen uit Bochum kiezen voor een nieuwe aanpak:ze willen eiwitten vervangen door DNA, wat veel stabieler is.

Onderzoekers weten sinds de jaren tachtig dat nucleïnezuren chemische reacties kunnen katalyseren, en deze eigenschap is sindsdien grondig bestudeerd. "We hebben voorbeelden gevonden van nucleïnezuren met eiwitachtige kenmerken, " zegt Hemschemeier. "Ze doen, bijvoorbeeld, vormen precieze 3D-structuren die specifieke chemische reacties mogelijk maken."

In hun overzichtsartikel Happe en Hemschemeier concluderen daarom:het is heel goed mogelijk dat onze industrie in een niet al te verre toekomst in staat zal zijn om op DNA gebaseerde katalysatoren te gebruiken die biokatalysatoren nabootsen die zo complex zijn als de hydrogenase.