Iridiummyoglobine met porfyrine (rood). Het synthetische enzym katalyseert reacties zoals in het plaatje links en rechts, waarbij de uitgangsproducten boven aan staan en de producten onder (afb: Lawrence Berkeley-lab)

Scheikundigen hebben altijd met een jaloers oog gekeken naar het ‘gemak’ waarmee biologische systemen de ingewikkeldste verbindingen maken. Nu schijnen onderzoekers van het Lawrence Berkeley-lab in de VS de twee vakgebieden met elkaar ‘in de echt’ verbonden te hebben door in een spiereiwit, myoglobine, het ijzeratoom te vervangen door een iridiumatoom. Met zo’n synthetisch enzym zouden in het lab, en uiteindelijk wellicht in de fabriek, voorheen ‘onmogelijke’ organische verbindingen kunnen worden gemaakt.
Veel verbindingen die voor ons mensen interessant zijn, laten zich in de praktijk lastig synthetiseren. De natuur gaat daar veel soepeler mee om, gesterkt door miljarden jaren ‘ervaring’. Dus speelden onderzoekers leentjebuur bij de natuur en hopen zo allerlei voorheen in het lab en de fabriek ‘onmaakbare’ stoffen te kunnen synthetiseren. Het gaat dan over medicijnen, brandstoffen, materialen en nog zo wat scheikundigs die wij mensen waardevol vinden.
De truc was simpel: neem een natuurlijk eiwit, een enzym, en knutsel daar wat aan totdat het resultaat jouw doel dient. Het werd het zuurstofbindende eiwit myoglobine, waar het ijzeratoom, dat er normaal in zit, is vervangen door iridium. Door die vervanging katalyseerde het enzym een andere reactie dan het natuurlijke enzym: een omzetting van een koolstof/waterstof-binding naar een enkele koolstof/koolstof-binding, een reactie waar geen natuurlijk of gesynthetiseerd enzym voor bekend is.
Katalysatoren, het moge bekend zijn, zijn stoffen die chemische reacties versnellen en/of mogelijk maken. Enzymen zijn biologische katalysatoren, altijd eiwitten. Het grote voordeel van enzymen boven chemische kats is dat ze onder milde omstandigheden werken en heel specifiek zijn voor een bepaalde reactie (dat is meteen ook weer een nadeel), waardoor weinig afval ontstaat. Uiteraard wordt er al langer aan enzymen geknutseld om dingen te laten gebeuren die de ouderwetse scheikundigen in het lab niet voor elkaar krijgen (en dus zeker niet in de fabriek).
Hartwig: “Veel enzymen bevatten metalen zoals ijzer of koper en het aantal reacties die ijzer en koper in die eiwitten kunnen katalyseren is veel kleiner dan edelmetalen zoals iridium dat kunnen. Enzymen katalyseren uiteraard reacties die nodig zijn voor het leven, niet de reacties die we nodig hebben voor de dingen om ons heen. We hebben een manier gevonden ijzer in myoglobine te vervangen door een edelmetaal. Dat leverde een synthetisch enzym op dat de diverse reactiviteit van een edelmetaal combineert met de grote kieskeurigheid en doelmatigheid in een reactie die verloopt onder milde omstandigheden.”

Heemeiwit

Myoglobine is een heemeiwit die zich bindt via het ijzeratoom aan porfyrine. IJzerporfyrine vangt zuurstof waar spiercellen dol op zijn.
De onderzoekers veranderden E.coli-basteriën genetisch zo dat ze myoglobine produceerden zonder een ijzeratoom. Vervolgens bleek een iridiumatoom ‘bereid’ de vacature van ijzer in te vullen. Hartwig: “Misschien nog wel belangrijker is dat dit nieuwe enzym in het lab kan worden ontwikkeld. Dit is het eerste bewijs van een nieuwe strategie in de katalyse. We hebben een enzym gecreëerd dat de functionaliteit heeft van een chemische katalysator, terwijl nog genoeg biologie in zich heeft methoden te gebruiken uit de moleculaire biologie om nieuwe functies te ontwikkelen. De mogelijkheden van deze benadering lijken eindeloos.”

Bron: Science Daily