Enzym: de moleculaire werkpaarden achter groene technologie

Een enzym is een eiwit dat een chemische reactie versnelt zonder daarbij zelf te veranderen of op te raken. Elke cel in je lichaam zit vol met duizenden verschillende enzymen die voortdurend stofjes afbreken, opbouwen of omzetten. Zonder enzymen zou spijsvertering, ademhaling en zelfs het aflezen van je DNA onmogelijk traag verlopen – reacties die nu in seconden gebeuren, zouden anders jaren kunnen duren.

Een handige vergelijking is die van een sleutel en een slot. Een enzym heeft een precies gevormde ‘gleuf’ die maar bij één of enkele specifieke moleculen past, de zogeheten substraten. Zodra het juiste substraat in die gleuf klikt, helpt het enzym de reactie op weg en laat vervolgens het product weer los, waarna het enzym klaarstaat voor de volgende ronde. Diezelfde eigenschap – extreem specifiek en razendsnel werken bij lage temperatuur – maakt enzymen ook buiten het lichaam aantrekkelijk: als schone, energiezuinige gereedschappen voor industrie en technologie.

Wat is het precies?

Een enzym is opgebouwd uit een lange keten aminozuren die zich vouwt tot een complexe driedimensionale vorm. Die vouwing bepaalt alles: ergens in die vorm ontstaat een kleine holte of gleuf, de actieve plek, waar de chemie plaatsvindt.

Wanneer een substraat in de actieve plek past, spreken chemici van het slot-en-sleutelmodel. In werkelijkheid is het proces vaak flexibeler: het enzym past zijn vorm iets aan zodra het substraat binnenkomt, wat bekendstaat als induced fit (aangepaste pasvorm).

Elke chemische reactie heeft een drempel nodig om te starten, de activeringsenergie. Een enzym verlaagt die drempel door het substraat in de juiste positie en spanning te houden, zonder zelf te worden verbruikt. Daardoor kan één enzymmolecuul duizenden reacties per seconde katalyseren.

Sommige enzymen hebben hulp nodig van kleine niet-eiwitmoleculen, cofactoren genoemd. Denk aan metaalionen zoals zink of ijzer, of organische hulpmoleculen die coenzymen heten – vitamine B-varianten zijn daar bekende voorbeelden van. Zonder deze cofactor werkt het enzym vaak niet of veel slechter.

De namen van enzymen eindigen meestal op -ase, gekoppeld aan het type reactie of substraat: een protease breekt eiwitten af, een lipase vet, een polymerase bouwt lange ketens zoals DNA of RNA op.

Wat wil men ermee bereiken?

Buiten de biologie zijn enzymen aantrekkelijk omdat ze chemische processen kunnen vervangen die normaal hoge temperaturen, agressieve zuren of zware metalen vereisen. Dat past in het streven naar groene chemie: productieprocessen met minder energieverbruik, minder giftig afval en een kleinere CO2-voetafdruk.

Een tweede drijfveer is enzyme engineering, het gericht aanpassen of zelfs volledig herontwerpen van enzymen. Natuurlijke enzymen zijn geëvolueerd voor de omstandigheden in een cel, niet voor een fabriek. Onderzoekers proberen daarom enzymen te maken die stabieler zijn bij hoge temperatuur, werken in ongebruikelijke oplosmiddelen, of reacties uitvoeren die in de natuur helemaal niet voorkomen.

Een derde doel is het aanpakken van grote maatschappelijke problemen: enzymen die plastic afbreken, biobrandstof helpen maken uit plantenresten, of medicijnen goedkoper en preciezer produceren. De belofte is telkens dezelfde – een biologisch alternatief voor processen die nu vervuilend, duur of traag zijn. Die belofte is deels al werkelijkheid, maar zeker niet overal even ver uitontwikkeld, zoals hieronder blijkt.

Voorbeelden uit de praktijk

Het Franse bedrijf Carbios ontwikkelt enzymen die PET-plastic (de kunststof van bijvoorbeeld drankflessen) afbreken tot de oorspronkelijke bouwstenen, die opnieuw tot plastic verwerkt kunnen worden. Het gaat om een verbeterde, in het lab geoptimaliseerde versie van een enzym dat van nature voorkomt in bacteriën die op plastic-afval leven.

De genbewerkingstechniek CRISPR-Cas9 draait om een enzym, Cas9, dat als een moleculair schaartje DNA op een exacte plek kan knippen. Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier ontvingen hiervoor in 2020 de Nobelprijs voor de Scheikunde.

In 2018 ging de Nobelprijs voor de Scheikunde deels naar Frances Arnold, voor haar werk aan directed evolution: een methode waarbij enzymen in het lab versneld ‘evolueren’ door mutaties aan te brengen en telkens de best werkende varianten te selecteren, tot een enzym ontstaat met de gewenste eigenschappen.

Het Deense bedrijf Novozymes, een van de grootste industriële enzymproducenten ter wereld, levert al decennia enzymen voor wasmiddelen. Deze enzymen breken vlekken van eiwit, vet of zetmeel af, ook bij lagere wastemperaturen – wat weer energie bespaart.

Tijdens de coronapandemie speelden enzymen een sleutelrol bij de productie van mRNA-vaccins: een enzym genaamd RNA-polymerase wordt in het lab gebruikt om grote hoeveelheden mRNA te kopiëren vanaf een DNA-sjabloon.

Hoe ver is de techniek?

Het voorspellen en ontwerpen van enzymstructuren heeft de afgelopen jaren een sprong gemaakt dankzij kunstmatige intelligentie. AlphaFold, ontwikkeld door DeepMind (onderdeel van Google), kan de driedimensionale vorm van een eiwit voorspellen op basis van zijn aminozuurvolgorde – een probleem waar biologen decennia mee worstelden. Dat maakt het makkelijker om te voorspellen hoe een aangepast enzym zich zal gedragen, nog vóórdat het in het lab wordt gemaakt.

Directed evolution, sinds de jaren negentig een gevestigde techniek, blijft ondertussen het praktische werkpaard: computervoorspellingen versnellen het proces, maar de uiteindelijke selectie van goed werkende enzymen gebeurt nog altijd experimenteel.

Toch zijn er reële obstakels. Enzymen zijn vaak kieskeurig over temperatuur en zuurgraad (pH) en verliezen buiten hun ideale omstandigheden snel hun werking. Opschalen van een enzym dat in het lab goed werkt naar een proces op fabrieksschaal is technisch en financieel lastig. Bij plastic-afbrekende enzymen bijvoorbeeld is de reactiesnelheid en de kostprijs per kilo verwerkt plastic nog een drempel voor grootschalige toepassing, ook al draaien er inmiddels demonstratiefabrieken.

Wie werken eraan?

Novozymes (Denemarken) is wereldwijd een van de grootste spelers in industriële enzymen, actief in wasmiddelen, voeding en biobrandstoffen. Carbios (Frankrijk) richt zich specifiek op enzymatische plasticrecycling. Grote chemieconcerns als DSM (Nederland) en BASF (Duitsland) hebben eigen onderzoekslijnen naar industriële enzymtoepassingen.

Op het gebied van eiwitvoorspelling en -ontwerp is DeepMind/Google toonaangevend met AlphaFold, terwijl academische groepen wereldwijd – met Frances Arnolds laboratorium aan het California Institute of Technology (Caltech) als bekend voorbeeld – blijven bijdragen aan directed evolution en nieuwe enzymfamilies. Daarnaast dragen universitaire onderzoeksinstituten in onder meer de Verenigde Staten, Duitsland, Japan en Nederland bij aan fundamenteel enzymonderzoek, vaak in samenwerking met de industrie.

Verder lezen

• Novozymes – officiële site van een van de grootste industriële enzymproducenten
• Nature – wetenschappelijk tijdschrift met actueel onderzoek naar enzymen en eiwitten
• RCSB Protein Data Bank – publieke database met driedimensionale eiwit- en enzymstructuren
• Nobelprize.org – achtergrond bij de Nobelprijzen voor directed evolution en CRISPR-Cas9
• UniProt – internationale database met eiwit- en enzyminformatie