Computational design of symmetrical protein scaffolds

Staf Wouters
Deze thesis beschrijft het ontwerpen, opzuiveren en karakteriseren van nieuwe stabiele, symmetrische proteïnes die nu gemodificeerd kunnen worden voor integratie in verschillende applicaties gaande van bio-farmaceutica tot groene katalyse.

Knutselen met de bouwstenen van het leven

Spelen met Lego is fantastisch. Meng de drang om nieuwe dingen te bouwen met een gezonde dosis beroepsmisvorming, en je krijgt al meteen een goed idee van wat we doen in het Laboratorium voor Biomoleculair Modeleren en Design: Wij knutselen met proteïnes, de bouwstenen van het leven.

Proteïnes zijn grote, complexe moleculen die je kunt terugvinden in ieder organisme. Het menselijk lichaam bevat ongeveer 70.000 varianten die ieder het product zijn van miljoenen jaren evolutie. Deze minuscule machientjes zijn verantwoordelijk voor een hoop belangrijke functies, zoals bijvoorbeeld het transport van zuurstof in het bloed, het beschermen en bewerken van het DNA, het bestrijden van ziektes of het verwerken van afvalstoffen. Wanneer deze grote moleculen chemische reacties katalyseren (versnellen), zoals gebeurt bij het afbreken van voedsel, worden ze enzymen genoemd.

Nu we weten dat zulke biomoleculen enorm veel mogelijkheden bieden, zijn vele wetenschappers geobsedeerd door het ontwikkelen van nieuwe proteïnes, die kunnen dienen als geneesmiddelen of andere functies uitvoeren die nog niet voorkomen in de natuur. Helaas is dit niet zo vanzelfsprekend. De vorm en functie van een proteïne zijn nauw verbonden met diens samenstelling. Proteïnes zijn opgebouwd uit kettingen van kleinere eenheden: Aminozuren. Er zijn 20 aminozuren en afhankelijk van de aminozuurcombinatie vouwen de kettingen tot bepaalde vormen met specifieke functies. De interacties tussen al die aminozuren zijn zeer complex en het is tegenwoordig nog steeds erg moeilijk te achterhalen welke combinatie van aminozuren nodig is om het gewenste proteïne te vormen. Zelfs de kleinste foutjes kunnen ervoor zorgen dat het biomolecule op de verkeerde manier vouwt of niet actief is. Het is daarom gemakkelijker om een bestaand proteïne wat aan te passen dan er eentje volledig zelf te ontwerpen.

In mijn onderzoek ontwierp ik stabiele, symmetrische proteïnes (Figuur 1) die nu kunnen worden aangepast voor verschillende doeleinden. Om dit te doen werd een methode gebruikt die de kennis van bestaande proteïnes en de rekenkracht van computers combineert om zo te voorspellen welke samenstellingen de biomoleculen moeten hebben. Via genetische aanpassingen werden E. coli bacteriën ‘geprogrammeerd’ om deze proteïnes te produceren. De moleculen werden uit de bacteriën gehaald en hun structuren en eigenschappen werden bepaald.

De ontworpen moleculen vouwen tot een symmetrische propellerachtige structuur, met een zeer robuuste kern die flexibele, aanpasbare uitstulpingen ondersteunt. De proteïnes bleken abnormaal stabiel te zijn. Sommigen overleefden temperaturen boven 95°C en gaven zelfs geen blijk van structuurverlies (denaturatie) in zeer zure en basische oplossingen.

Nu we zeer stabiele en aanpasbare proteïnes hebben kunnen we in de toekomst deze biomoleculen aanwenden voor allerlei toepassingen. Ze zouden bijvoorbeeld als geneesmiddel kunnen dienen: De flexibele uitsteeksels kunnen worden aangepast om de hemagglutinine proteïnes van influenza virussen te binden zodat deze niet meer kunnen binden aan onze cellen, waardoor ze ons niet meer ziek maken (Figuur 2). Andere aanpassingen zouden deze nieuwe proteïnes in staat stellen nieuwe reacties te katalyseren, waarbij het proteïne als chassis dient voor een actieve molecule en het geheel verbeterde eigenschappen krijgt. Op die manier zouden ze gebruikt kunnen worden om nieuwe biobrandstoffen of andere producten te maken en afvalstoffen af te breken of te recycleren zonder dat daar hoge temperaturen en gevaarlijke chemicaliën voor nodig zijn.

Of we daadwerkelijk in zulke grootse dingen zullen slagen, zal zeker nog worden uitgewezen door het verdere onderzoek van talloze hardwerkende wetenschappers. De huidige resultaten zijn wel enorm belovend en misschien blijkt uiteindelijk dat we enkel nog beperkt worden door onze eigen verbeelding.

Bibliografie

Embargo

Universiteit of Hogeschool
Biochemie en biotechnologie
Publicatiejaar
2017
Promotor(en)
Arnout Voet
Kernwoorden
Share this on: