Mapping the sequence landscape of an artificial enzyme
Enzymen sturen voor duurzamere productieprocessen
De toenemende zorgen over de milieu-impact van productieprocessen vragen dringend om schonere en duurzamere benaderingen. Een veelbelovend alternatief is het gebruik van enzymen, die het mogelijk maken schadelijke chemische methoden te vervangen door milieuvriendelijke alternatieven. Natuurlijke enzymen zijn echter geëvolueerd om te voldoen aan de behoeften van het leven, niet om medicijnen of fijne chemicaliën te maken. Daarom worden kunstmatige enzymen ontworpen die reacties kunnen uitvoeren die in de natuur niet voorkomen. Deze kunstmatige varianten zijn echter vaak minder efficiënt en vereisen gerichte engineering om praktisch bruikbaar te worden.
Het onderzoek van Fabrizio Casilli draaide erom te begrijpen hoe de interne bewegingen van enzymen (conformational dynamics) hun katalytische efficiëntie beïnvloeden, met bijzondere aandacht voor langbereik-interacties. Casilli richtte zich op een bekend kunstmatig enzym, LmrR, waarvoor hij een kleurgebaseerde high-throughput test ontwikkelde die duizenden varianten tegelijk kan analyseren. Daarmee ontdekten Casilli mutaties die ver van de actieve plaats liggen, maar toch de interne dynamiek herprogrammeren en onverwachte epistatische interacties veroorzaken, situaties waarin het effect van een mutatie afhangt van een andere. Uiteindelijk kon Casilli een nieuwe variant ontwikkelen met bijna 400 keer hogere activiteit dan het oorspronkelijke enzym.
Dit werk laat zien dat we door enzymen te sturen naar productievere dynamische toestanden en door de netwerken van interacties die hun functie bepalen te benutten, de ontwikkeling van efficiënte biokatalysatoren kunnen versnellen. In de toekomst zullen dergelijke strategieën bijdragen aan duurzame, op maat gemaakte enzymen ter ondersteuning van een groenere chemische industrie.
Fabrizio Casilli voerde zijn onderzoek uit bij het Stratingh Institute for Chemistry, afdeling Biomolecular Chemistry and Catalysis, met financiering van EU - HORIZON2020. Hij vervolgt zijn loopbaan als postdoc bij de University of Stuttgart.