Frances Arnold kreeg in 2018 de Nobelprijs voor haar onderzoek naar gerichte evolutie (vaak directed evolution genoemd, ook in de Nederlandse taal). Gerichte evolutie versnelt het natuurlijke proces van variatie en selectie, en onderzoekers gebruiken deze techniek om de beste industriële enzymen te vinden. Zoals Arnold het samenvatte: ‘In de gerichte evolutie maken we een nieuwe niche in het labotorium, zogezegd; we versnellen de evolutie van enzymen zodat ze commercieel nuttige reacties katalyseren.’
Gebruik maken van de kracht van de evolutie
‘Sinds het begin van het leven 3,7 miljard jaar geleden,’ schreef de Nobelprijscommissie, ‘is bijna elke uithoek van de Aarde gevuld met levende wezens. Het leven is doorgedrongen tot heetwaterbronnen, de diepzee en droge woestijnen, en dat alles doordat de evolutie een aantal chemische problemen heeft opgelost. De chemische werktuigen van het leven – eiwitten – zijn geoptimaliseerd, veranderd en vernieuwd, waarbij een ongelooflijke verscheidenheid is ontstaan. De ontvangers van de Nobelprijs van dit jaar zijn geïnspireerd door de kracht van de evolutie, en hebben dezelfde principes – genetische verandering en selectie – gebruikt om eiwitten te ontwikkelen die de chemische problemen van de mensheid oplossen.’
Enzymen zijn natuurlijke katalysatoren. Zij kunnen reacties enorm versnellen, bij kamertemperatuur en in water. In de natuur zijn zij gespecialiseerd in één reactie, ze bemoeien zich niet met andere mogelijke reactiepaden. Als de producten optisch actief zijn (dat wil zeggen: als zij gepolariseerd licht naar links of naar rechts draaien), brengen zij meestal slechts één van de twee ‘enantiomeren’ voort. Kortom, ze zijn uiterst precies. Enzymen lijken sterk op hun producten: het zijn eiwitten, vaak zeer ingewikkeld en vaak met een metaalatoom op hun actieve plaats. Ze kunnen zelfs, in zuivere of veranderde vorm, worden gebruikt om stoffen te maken die niet voorkomen in de natuur. Maar bij natuurlijke evolutie duurt het vaak vele eeuwen voordat het optimale resultaat voor een soort wordt bereikt. Dit kan een probleem vormen voor de industriële toepassing van enzymen. Gerichte evolutie lost dit probleem op.
Gerichte evolutie kopieert het mechanisme van de natuur
De meeste enzymen worden gevormd uit 20 aminozuren. Ze zijn veel ingewikkelder dan DNA, dat slechts vier moleculaire bouwstenen gebruikt. Bij de vorming van een enzym zijn duizenden aminozuren nodig. Het is buitengewoon moeilijk om zulke enzymen vanaf nul in elkaar te zetten. Allereerst moeten de 20 bouwstenen in de juiste volgorde worden gezet. En dan, nog uitdagender, moet de lange aminozuurketen op de juiste manier worden gevouwen; in feite is dit vouwen essentieel voor de functie. Onderzoekers die gerichte evolutie hebben ontwikkeld, zoals Francis Arnold, doen het daarom op een andere manier. Ze gebruiken de gereedschapskist van de natuur zelf om nieuwe enzymen te maken en te selecteren – maar dan wel veel sneller dan de natuur het doet.
Gerichte evolutie begint met een enzym met eigenschappen die in de buurt komen van de gewenste, maar met lage opbrengst. Het maakt bijvoorbeeld maar weinig van een stof waarin we geïnteresseerd zijn (een semisynthetische stof of een natuurproduct dat moeilijk af te zonderen is), maar wel een nauw verwante stof. De onderzoekers brengen willekeurige genetische veranderingen (mutaties) aan in het gen dat zorgt voor het maken van dit enzym. Dan stoppen ze verschillende versies van het gemuteerde gen in bacteriën, die daarop vele licht veranderde versies van het enzym gaan maken. Sommige van die versies zullen onze stof beter produceren, maar vele zullen het slechter doen dan het oorspronkelijke enzym. De onderzoekers zonderen de bacteriën af waarvan de enzymen het beste werken, en onderwerpen ze aan een nieuwe ronde van reageerbuisevolutie. Vaak zijn er maar drie generaties nodig voor het maken van een enzym dat honderden keren beter werkt dan het oorspronkelijke model.
Een krachtig middel om de functionaliteit van eiwitten te verbeteren
Onderzoekers hebben een aantal methoden om veranderingen aan te brengen in het gen; ze zijn afhankelijk van hun eerdere kennis van de structuur van het enzym, en de manier waarop dit tot expressie wordt gebracht door het gen. Als deze kennis al vrij gedetailleerd is, kunnen ze mutaties aanbrengen op een specifieke plek in het gen. Maar zelfs dan zullen de meeste veranderingen negatief zijn: de meeste nieuwe enzymen gemaakt door de gemodificeerde organismen zullen minder produceren van de gewenste stof. Daarom is het van groot belang, de beschikking te hebben over krachtige selectieapparatuur waarmee de paar positieve resultaten snel kunnen worden bepaald. Hiermee kan de onderzoeker de resultaten rangschikken en bepalen welke als platform doorgaan naar de volgende ronde. As de veranderingen in het DNA erfelijk zijn, hoeven onderzoekers alleen maar heel veel productieve cellen naast elkaar te zetten om de gewenste stof efficiënt te produceren.
Dit kan ook op een iets andere manier worden uitgevoerd. Wij kunnen het nieuwe enzym (nog in zijn cel of geïsoleerd) zelf modificeren met standaardtechnieken om zijn katalytische eigenschappen te bestuderen onder afwijkende omstandigheden (bijvoorbeeld in andere oplosmiddelen dan water). Met deze methode kunnen we ook stoffen maken die giftig zouden zijn voor levende cellen. En we zijn dan ook niet langer gebonden aan eiwitten als product van onze enzymatisch gekatalyseerde reacties. We hebben nu het punt bereikt waarop we elk molecuul kunnen maken dat maar een beetje lijkt op een natuurlijke stof. Daarom kunnen we met gerichte evolutie op een industriële schaal natuurlijke producten maken, en ook allerlei semi-natuurlijke producten en veel niet-natuurlijke stoffen. Waardoor gerichte evolutie van groot belang is voor de ontwikkeling van medicijnen.
Een onmisbaar instrument
Gerichte evolutie is een krachtige manier om de functionaliteit van enzymatische eiwitten te verbeteren. We kunnen er duizenden vergelijkbare stoffen mee maken. Met krachtige selectieapparatuur kan gerichte evolutie ons leiden naar de beste oplossing, zelfs met beperkte kennis van de structuur van het eiwit. Met deze nieuwe technologie hebben onderzoekers vele enzymen gemaakt. Waarmee we zuivere geneesmiddelen kunnen maken. Of biobrandstoffen. Of chemicaliën als isobutanol, grondstof voor bioplastics. Of lipasen, enzymen die vetten afbreken, en gebruikt worden als toevoeging aan wasmiddelen. Arnold’s eigen bedrijf Provivi ontwikkelt biobestrijdingsmiddelen door gerichte evolutie. En alle producten van deze nieuwe biotechnologische industrie worden milieuvriendelijk gemaakt: met laag energiegebruik, en bijna geen giftig afval. Gerichte evolutie is niet alleen een prachtige wetenschappelijke ontwikkeling, maar ook een onmisbaar instrument voor een duurzamere samenleving.
Met dank aan Alle Bruggink voor zijn commentaar
Interessant? Lees dan ook:
Is het leven maakbaar? Ontwikkeling van recombinant-DNA technologie
Maakbaar leven vereist verantwoording en toezicht
Synthetische biologie: gezondheid, mode en ethiek