Onnatuurlijke eiwitten blijken in een E. colibacterie werkzaam te kunnen zijn. Daarvoor wordt wel eerst het natuurlijke eiwit (gltA) ‘onklaar’ gemaakt (afb: Synthetic Biology)

Er wordt volop gesleuteld aan het natuurlijke genetische systeem. Onlangs bouwden onderzoekers, bijvoorbeeld, twee nieuwe DNA-letters in in een bacteriecel, en die nieuwe letters codeerden voor niet-natuurlijke eiwitten. De cel maakte die, nutteloze eiwitten, nog braaf aan ook. Nu hebben onderzoekers rond Michael Hecht van de Princeton-universiteit een cel niet-natuurlijk eiwitten laten aanmaken, die ook nog fungeren als enzym. Het onnatuurlijk leven komt steeds dichterbij.

Hecht c.s. stellen dat ze een eiwit helemaal vanuit niks hebben opgebouwd. “Biologie is een systeem van enzymen (=eiwitten;as) en reacties. Elke reactiestap heeft een enzym dat die reactie katalyseert. Anders zouden die niet snel genoeg verlopen. Enzymen zijn de beste katalysatoren in het heelal omdat de evolutie daar miljarden mee bezig is geweest. Enzymen versnellen reacties vele ordegroottes.”
Toen de onderzoekers E. coli-bacteriën succesvol niet-natuurlijke eiwitten lieten aanmaken, gingen ze ook eens bedenken wat die eiwitten zouden kunnen doen in de bacterie. Ze vonden vier genen die, als ze verwijderd werden de bacterie nagenoeg het leven liet, maar dat kon worden voorkomen door die kunstmatige eiwitten.
Ze hadden die eiwitten in 2011 ‘ontdekt’ en zijn zes jaar bezig geweest om erachter te komen hoe die precies werken. Daar zijn ze kennelijk nu achter.
Het is niet noodzakelijk dat kunstmatige eiwitten net zo werken als natuurlijk, de eiwitten die de bacterie normaal wel zou aanmaken en waarvoor de niet-natuurlijk als ‘redders’ moeten optreden. De ‘redders’ moesten ervoor zorgen dat op de een of andere manier het gemis van de vier genen werd gecompenseerd.
Na jaren experimenteren vonden de onderzoekers dat twee niet-natuurlijke eiwitten de functie van twee enzymen kon overnemen door andere processen aan te zwengelen. Bij het derde ontbrekende enzym was er voortgang, maar volgens medeonderzoekster Ann Donnelly was een ‘vervanger’ voor het vierde ontbrekende enzym een hersenkraker en bron van frustraties, maar haar is het gelukt. Ze heeft het, zelf geschapen probleem, opgelost.
“Dat kunstmatige eiwit, Syn-F4, is eigenlijk een enzym”, zegt ze. “Ik geloofde niet dat het werkte voordat ik het een aantal keren had herhaald.” Ze vertelde het resultaat aan twee medeonderzoekers en zei tegen ze: “Ik denk dat dit het enzym is. Zeg niks tegen Michael (Hecht;as). Ik doe het eerst nog een keer.” Ze deed dat zo zorgvuldig als mogelijk met hetzelfde resultaat… “Van de drie is dat het enige eiwit dat ook een enzym is.”

Grote gevolgen?

Dit onderzoek zou belangrijke gevolgen kunnen hebben voor de industrie, denkt Justin Siegel van het innovatieinstituut voor voeding een gezondheid, die niet bij het onderzoek betrokken is geweest. “De biotechnologie gebruikt enzymen voor industriële processen om voedsel medicijnen of brandstoffen te maken. Daarbij beginnen ze meestal met enzymen ontwikkeld in miljarden jaren evolutie die daar niet voor gemaakt zijn. Dat wordt vervolgens aangepast voor de nieuwe toepassing. Dit onderzoek maakt duidelijk dat we niet langer beperkt zijn door eiwitten uit de natuur. We kunnen eiwitten maken in maanden in plaats van miljarden jaren.”

De onderzoekers hadden een E. coli-bacterie gefabriekt die het Fes-gen miste. Het eiwit Fes wordt gebruikt om ijzer op te pikken dat de bacterie nodig heeft. IJzer is er in de natuur voldoende, maar biologisch verwerkbaar ijzer niet. Cellen hebben moleculen zoals enterobactine die ijzer wel kunnen binnenhalen, maar er is een middel als Fes nodig om dat ijzer aan dat molecuul te ontworstelen.
De aangepaste bacterie kon dat niet, maar werd ‘gered’door Syn-F4. De onderzoekers hadden de bacterie ijzer gegeven, maar alleen de cellen werden rood. Er kwam wel ijzer in de cellen terecht maar die konden dat niet loskrijgen van enterobactine. “Tot Ann ontdekte dat ze niet rood meer waren maar wit. Kennelijk waren de cellen met Syn-F4 in staat het ijzer te bevrijden, dus dat betekende dat we met een enzym te maken hebben”, zegt Hecht.
“E.coli’s hebben 4000 genen. We hebben ze niet alle 4000 getest. We zijn begonnen te coderen voor een kunstmatig genoom. We hebben 0,1% van het genoom ‘gered’. Nu is het een rare bacterie met wat vreemde genen die het mogelijk maken dat die groeit. Als je nu eens 10 of 20% van de genen vervangt. Dan is het niet een vreemde E. coli met kunstmatige genen, maar een geheel nieuw organisme.” Zei dokter Frankenstein (zou ik bijna zeggen).

Bron: EurekAlert