Leidse ontdekking leidt tot nieuwe theorie voor enzymatische reacties
Leidse scheikundigen hebben een nieuw model voorgesteld voor enzymatische reacties, waarin de flexibiliteit van het substraat veel belangrijker is dan voorheen werd gedacht. Het onderzoek kan grote gevolgen hebben voor medicijnontwikkeling en eiwit-technologie. Het team publiceerde de bevindingen in het vakblad Angewandte Chemie.
Een nieuw paradigma
Het nieuwe model – genaamd substrate induced fit – vormt mogelijk een nieuw paradigma in de enzymologie, de discipline die enzymen en hun reacties onderzoekt. Om dit goed te begrijpen, moeten we terug naar de begindagen van dit onderzoeksveld. Eind 19e eeuw beschouwde men enzymen en de stoffen waarmee ze reageren – ook wel bekend als substraten – als een sleutel en slot die perfect in elkaar passen. Later vonden wetenschappers bewijs dat het slot (een enzym) flexibel is en zijn vorm aanpast aan de vorm van het substraat: het induced fit model. Hoofdauteur Fredj Ben Bdira en zijn collega's stellen nu dat juist de flexibiliteit van het slot (een substraat) lang over het hoofd is gezien en essentieel is voor bepaalde enzymen. Ze beschrijven daarom een nieuw model.
Een verdacht enzym
Terwijl Ben Bdira het enzym xylanase (zie kader onderaan) onderzocht, viel hem iets op: het enzym veranderde nauwelijks van vorm, zelfs niet bij verschillende substraten. Zijn observatie gaat in tegen het eerdergenoemde induced fit model, dat stelt dat enzymen hun vorm optimaliseren zodat een substraat beter past. Ben Bdira: ‘We zagen dit in de kristallijne toestand, die meestal stijver is. We wilden weten of dit ook in oplossing gebeurt, wanneer enzymen flexibeler zijn.
‘Om dit te onderzoeken hebben we een sonde ontwikkeld – een klein molecuul dat we aan het oppervlak van het enzym konden bevestigen.’ Deze sonde stelde de onderzoekers in staat om veranderingen van het enzym in oplossing te volgen, in elk stadium van de katalytische reactie. ‘We waren zeer verbaasd toen we zagen dat het enzym bijna niet van vorm veranderde, precies wat we ook in de kristallijne toestand zagen.’
Bewijs
Maar de onderzoekers zagen nog iets anders: een toename in de zogeheten milliseconde-tijdschaal-dynamiek van het enzym. Ben Bdira: ‘Deze toename wordt vaak toegeschreven aan het enzym dat zijn vorm optimaliseert. Maar omdat we al hadden bewezen dat xylanase tijdens de verschillende stappen van de katalytische cyclus stijf bleef, kunnen we de toename alleen maar verklaren met bewegingen van het substraat. Eerst neemt het substraat verschillende oriëntaties aan tijdens het binden in de bindingsspleet van het enzym. Hierna vervormt het substraat langzaam om de reactie met het enzym mogelijk te maken. En dat is totaal nieuw in dit vakgebied.’
Enzymen begrijpen en betere medicijnontwikkeling
De studie benadrukt dat het belangrijk is om niet alleen enzymdynamiek maar ook substraatdynamiek te onderzoeken, om zo een volledig beeld van enzymatische reacties te krijgen. Hoewel verder onderzoek nodig is, kunnen de resultaten grote gevolgen hebben voor medicijnontwikkeling. ‘Op dit moment houden farmacologen niet echt rekening met substraatflexibiliteit,’ zegt Ben Bdira. ‘Onze ontdekking zou de weg kunnen vrijmaken voor de ontwikkeling van krachtigere medicijnen.’ Volgens de Leidse onderzoeker kan ook de eiwit-technologie kan van dit onderzoek profiteren. ‘Door rekening te houden met substraatflexibiliteit kunnen betere katalysatoren ontwikkeld worden.’
Ben Bdira keek in dit onderzoek naar xylanase, een bèta-glycosidase die xylan afbreekt. ‘Xylan is een keten van suikermoleculen die je terugvindt in de celwanden van planten. Het is het hoofdbestanddeel van hout en het op een na meest voorkomende biomassamateriaal ter wereld. Het enzym wordt gebruikt in de voedselindustrie en bij het bleken van papierpulp.’ Tijdens zijn promotieonderzoek deed de scheikundige ook al onderzoek naar xylanase en een aantal andere bèta-glycosidases. Uiteindelijk vond hij een manier om deze enzymen te veranderen voor specifieke biotechnologische toepassingen en het verbeteren van de behandeling van patiënten met metabole aandoeningen, zoals de ziekte van Gaucher.
Publicatie
- Fredj Ben Bdira et al. Dynamics of ligand binding to a rigid glycosidase, Angewandte Chemie (2020)
Headerafbeelding: microscopische opname van plantencellen van gewoon appelmos (Bartramia pomiformis) met celwanden die xylan bevatten.
Tekst: Bryce Benda