Darmbacterie Escherichia coli (E. coli)

Dat is toch een beetje het wezen van synthetische (kunstmatige) biologie: de natuur naar je hand zetten ter meerdere eer en glorie en nut van jezelf. Met al die mooie gereedschappen in de CRISPR-gereedschapskist kun je zelf onnatuurlijke eiwitten bouwen, van de natuurlijke aminozuren waar eiwitten uit bestaan, maar ook van de vele aminozuren die de natuur niet gebruikt. Soms blijken die eiwitfrutsels nog te werken ook, ontdekte Michael Hecht van de universiteit van Princeton.
Er zouden meer verschillende eiwitten mogelijk zijn dan er atomen in het heelal zijn en toch maakt de natuur maar de natuur maar van een minuscuul klein deel van die mogelijke eiwitten gebruik. Ook het aantal aminozuren, de bouwstenen van eiwitten, dat de natuur gebruikt is beperkt: 20. Waarom dat is, is nog steeds een groot raadsel. Puur toeval?
Wat we zeker weten is dat het leeuwendeel van de eiwitten nog nooit op zijn biologische functionaliteit is getest. Tot nu ‘fröbelden’ onderzoekers met eiwitten door heel precies de aminovolgorde te bepalen, waardoor er een eiwit ontstaat met een te voren bedachte vorm (vorm is functie in de natuur). Daarvan kan je dan, als je er verstand van hebt, met een redelijke mate van vertrouwen voorspellen wat dat nieuwe eiwit zou kunnen doen. Overigens dacht ik dat het nog steeds moeilijk, zo niet onmogelijk, de precieze vorm van een eiwit te voorspellen op basis van de aminozuurvolgorde, maar misschien is dat oude, achterhaalde kennis. Hecht pakte het wat simpeler aan: “Ik zie wel waar ik uit kom.”

Het vouwen van eiwitten zou het gevolg zijn van de wisselwerking van de aminozuren met water. Sommige aminozuren stoten water af andere trekken water aan. Hecht koos een gewone vorm van eiwitten: de vierhelixbundel. Die doet denken aan aan vier aaneengesloten vingers. Dat betekent dat dat eiwit op de juiste plaatsen waterafstotende of wateraantrekkende aminozuren moet hebben.
Vervolgens name hij willekeurige aminozuren uit deze twee categorieën om
die functies te vervullen. Dat herhaalde hij keer op keer tot hij uiteindelijk zo’n eenmiljoen verschillende viervingereiwitten had ‘ontworpen’.
Daarna, en dat lijkt een monsterklus, codeerde hij het DNA dat die eiwitten moest opleveren en plaatste de bijbehorende genen in het DNA van een bacterie (zal wel weer een E. coli zijn geweest) om dat micro-organisme die eiwitten ook daadwerkelijk te laten produceren.

Test

Dan kwam het spannende deel: welke van al die onnatuurlijke eiwitten wist zich ook te ‘gedragen’ in een natuurlijke omgeving. Hij testte dat door bij de E. coli telkens een gen te verwijderen en als ‘redding’ een kunstmatige eiwit daarvoor in de plaats te geven om te zien of dat hielp. Meestal niet, maar voor vier van de tachtig genverwijderingen waar Hecht mee werkte was er ten minste een, in een geval zelfs honderden, kunstmatig eiwit dat de ontbrekende functie invulde. Hecht kon zijn geluk niet op.

Als hij wat nauwkeuriger keek dan bleek dat niet een enkel ‘reddingseiwit’ de plaats innam van het ontbrekende, maar dat dat andere verwante enzymen activeerde, zodat die de functie van het afwezige eiwit konden overnemen, vertelde hij vorige week op een astrobiologiecongres in de VS.
In een later experiment vond hij ten minste een nieuw eiwit dat ook als een enzym (= aanjager van een reactie) werkt bij een reactie om het aminozuur serine aan te maken. Hij denkt dat eiwitten met een andere basale vorm dan de viervingereiwitten een katalytische functie vaker voorkomt dan bij de vierhelixbundels.
Met de aanpak van Hecht zouden synbiologen meer nieuwe kunstmatige eiwitten kunnen toevoegen aan het assortiment van Hecht. Dan kan je natuurlijk gaan speculeren over welke fenomenale eigenschappen die nieuwe eiwitten zouden kunnen beschikken, zoals de functie van antilichaamachtige medicijnen zonder hun neiging om samen te klonteren, die Hecht noemt als voorbeeld. Andere nieuwe eiwitten zouden gifstoffen kunnen afbreken.

Dat is natuurlijk wel een wildebomenbos: gissen en voornamelijk missen. Zoals gezegd: er zijn meer eiwitten te verzinnen dan er atomen in het heelal zijn (ik heb het niet proberen na te rekenen). “Het ontwerpen van nieuwe enzymen ligt nog een beetje buiten ons bereik”, zegt Nicholas Hud van het technologisch instituut van Georgia (VS) in een commentaar.

Bron: New Scientist