Efficient protein engineering by combining computational design and directed evolution

Computeranalyse versnelt ontdekking enzymen voor duurzame chemie

Het gebruik van enzymatische katalyse kan een belangrijke verduurzaming van de chemie opleveren. Enzymen hebben vaak een hoge selectiviteit en activiteit, waardoor ze de grondstof efficiënt omzetten in een product. Een belangrijke beperking is dat enzymen vaak niet stabiel genoeg zijn om gebruikt te worden in industriële processen.

Robert Floor beschrijft in zijn proefschrift de FRESCO methode voor het vinden van stabielere enzym-varianten. Deze methode gebruikt computervoorspellingen om de ruimtelijke structuur van mutanten te berekenen en de stabiliteit te analyseren. Daarna volgt een experimentele toetsing van de meest veelbelovende mutanten.

Met de FRESCO methode heeft Floor stabielere enzym-varianten ontwikkeld van een haloalkaan dehalogenase en een limonene epoxide hydrolase. Analyse van de beste mutanten leverde enzymen op  die bij twintig tot dertig graden hogere temperaturen konden worden gebruikt zonder te ontvouwen.

Veel biologisch actieve verbindingen bestaan in twee varianten die elkaars spiegelbeeld zijn. Maar vaak is slechts een van beide vormen nuttig. Enzymen die de juiste variant maken (die zoals dat heet enantioselectiviteit vertonen) zijn nodig voor de productie van de juiste vorm. Om enzym-varianten te ontwikkelen met een verbeterde enantioselectiviteit gebruikte Floor de met FRESCO vergelijkbare CASCO aanpak. Ook dit is een combinatie van voorspellende computersimulaties en het experimenteel testen van de meest veelbelovende mutanten.

Toepassing van de CASCO methode op het enzym limoneen epoxide hydrolase resulteerde in het ontwerp van zeer enantioselectieve varianten, geschikt voor de productie van beide enantiomeren van verschillende epoxides. Dit is vaak vereist bij de synthese van ingrediënten van medicijnen.

De verbeterde mutanten werden door zowel FRESCO als CASCO gevonden na het analyseren van slechts vijftig tot tweehonderd mutanten. Dit is een enorme verbetering ten opzichte van methoden die geen voorspellingen vooraf gebruiken, in dat geval is het nodig veel meer mutanten te analyseren. De ruimtelijke structuren van de verbeterde mutanten zijn experimenteel bepaald en vergeleken met de voorspelde structuren. Hieruit bleek dat de gebruikte programma’s die de structuur voorspellen accuraat werkten. Toekomstige projecten kunnen de CASCO en FRESCO methoden toepassen voor het verbeteren van enzymen op een efficiënte manier.

Robert Floor verrichtte zijn onderzoek bij de afdeling Biotechnologie van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute  (GBB), met financiering van de Europese Unie. Hij werkt inmiddels als onderzoeker bij enzymproducent Dyadic Nederland BV.

Proefschrift: http://irs.ub.rug.nl/ppn/390629731