Wilhelm Huck (afb: Radbouduniversiteit)

Stoffen worden in levende systemen ‘al spelend’ aangemaakt, waarmee wij aardlingen grote problemen hebben om die na te bootsen. Scheikundigen hebben allerlei soms vernuftige, soms rondweg grove manieren gevonden om stoffen te synthetiseren, maar al te vaak gaan die toch gepaard met veel geweld (hoge temperatuur en druk). Aleksander Pogodajev heeft in zijn promotieonderzoek aan de Radbouduniversiteit onderzoek gedaan naar een soort netwerken van chemische reacties die de soepelheid en verwevenheid van reacties in levende systemen moeten nabootsen.

“Om de essentie van dit onderzoeksveld te schetsen, moeten we eerst even kijken naar hoe we tot nu toe stoffen maken”, zegt Pogodajev. “In de traditionele chemie draait alles om het maken van een specifiek molecuul of een materiaal. Dat gaat meestal in meerdere stappen met steeds één chemische reactie per stap. Uit A en B maak je eerst C en daarna gebruik je C weer in een volgende stap om er D van te maken, enzovoort. Chemici zijn er inmiddels ontzettend goed in om al die reacties zo efficiënt mogelijk uit te voeren en daardoor zijn we erin geslaagd om op grote schaal allerlei nuttige producten te maken. Denk aan geneesmiddelen of kunststoffen.”
In de natuur gaat dat heel anders. Daar vinden allerlei reactie tegelijkertijd plaats en ze kunnen elkaar ook nog beïnvloeden. Het systeem staat niet op zich, maar vormt een onderdeel van grotere netwerken. “Als je zo’n netwerk kunt namaken kan je op een andere manier stoffen gaan maken en nieuwe productieprocessen ontwerpen”, zegt de verse doctor. Het is alleen geen kinnesinne zo’n netwerk in elkaar te knutselen. Hij heeft gezocht naar ‘spelregels’ waar die netwerken aan moeten voldoen.
Hij denkt dat als dat lukt er twee belangrijke toepassingsrichtingen open liggen: het maken van ‘levende’ systemen en het produceren van functionele materialen voor, bijvoorbeeld, biomedische toepassingen. Hij denkt niet dat die scheikundige netwerken snel door de chemische industrie zullen worden opgepakt. “Het zijn in de eerste plaats toepassingen waarvoor je niet veel materiaal nodig hebt. Je komt daarmee niet in de buurt van de productievolumes in de industrie.”

Trypsine

In de onderzoeksgroep waar Pogodajev werkt, die van Wilhelm Huck, wordt al gewerkt aan het ontwikkelen van kleine netwerken. “Ik ben eerst verder gegaan met de lopende projecten, maar bedacht toen dat we breder moesten gaan kijken naar de moleculen, in ons geval de eiwitten, die we konden gebruiken. We werkten heel veel met trypsine, dat is een handig enzym dat zichzelf kan activeren. Daardoor werkt het als een soort startknop om het netwerkje in gang te zetten, maar als je verschillende netwerken wilt proberen, wil je uit meer mogelijkheden kunnen kiezen dan alleen trypsine.”

Hij is ook peptideremmers gaan gebruiken om aan de hand daarvan de algemene regels voor de netwerken te kunnen vaststellen. “Dat was mijn stap op weg naar basisprincipes die breed geldig zijn en niet alleen beschrijven hoe het werkt voor een specifiek enzym in een specifieke situatie. Hiermee wilde ik een soort gereedschapskist van enzymen maken, waarmee je gericht kunt bepalen wat je nodig hebt.(…). In een cel ga je van het gen, het stukje DNA dat de code voor het eiwit bevat, via bRNA naar het bewuste eiwit. Drie stappen. Zoiets wil ik ook graag voor netwerken: een overzichtelijke aantal stappen die je kunt nemen om tot je gewenste resultaat te komen.”

Hij heeft voor een groep enzymen, proteases, regels geschreven, maar lang niet voor alle. “Ik heb een start gemaakt met het modelleren van het ontwerp van kleine reactienetwerken. Het is echt nog maar een begin, maar ik heb er vertrouwen in dat hier heel veel uit kan komen. Ik laat met mijn model een principe zien waarmee andere onderzoekers ook verder kunnen.”
Het bouwen van leven is het grote doel, maar het leven, beseft de onderzoeker, is nog steeds een maar voor een bescheiden deel begrepen geweldig ingewikkeld fenomeen. “Ik richt me liever op iets kleinere mijlpalen, zoals de nieuwe chemie die we nu ontwikkelen door meer te denken in netwerken in plaats van enkele reacties. De eerste stappen zijn gezet en je ziet de interesse groeien in het veld.(…) Een kleiner doel, maar ook realistischer.”

Bron: Kennislink

Aleksandr A. Pogodaev, Molecular engineering of enzymatic reaction networks, Radbouduniversiteit, 2021.