Complexiteit ontstaat zonder evolutie of ontwerp

Voor het goed functioneren van geavanceerde biologische processen zijn bijna altijd gevouwen eiwitten nodig. Deze complexe eiwitten zijn ontstaan door evolutie, of ze zijn ontworpen door wetenschappers. Maar nu hebben onderzoekers onder leiding van Sijbren Otto, RUG-hoogleraar Systems Chemistry, een nieuwe klasse van gevouwen moleculen ontdekt die zich spontaan vormen uit eenvoudige bouwstenen. De resultaten zijn op 16 januari gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

De onderzoeksgroep van Otto bestudeert hoe eenvoudige bouwstenen ringen kunnen vormen. In dit nieuwe onderzoek ging het om een nucleobase (een bouwsteen van DNA) met daaraan gekoppeld het aminozuur asparaginezuur. Eerder heeft Otto al laten zien dat die ringen op hun beurt weer stapels vormen die kunnen groeien en delen. Daarbij vertonen ze een vorm van chemische evolutie. Maar in dit nieuwe experiment gebeurde er iets anders. Otto: ‘Een van mijn promovendi, Bin Liu, zag dat zich grote ringen vormden, polymeren die bestaan uit vijftien bouwstenen.’ Die ringen waren zeer stabiel, zodat bijna alle bouwstenen uiteindelijk in de ringen eindigden.

Vouwen

Na bestudering van de structuur van de ringen via röntgendiffractie bleek dat ze ook nog eens gevouwen waren. ‘Als ringen stapeltjes vormen is er een interactie tussen moleculen. In dit geval was er een interactie binnen de grote moleculen.’ De hydrofobe (waterafstotende) delen van de ring vouwden zich naar het midden van het molecuul, iets dat ook gebeurt bij eiwitten in water. Maar de manier van vouwen van de ringen is totaal anders dan bij eiwitten. ‘Eiwitten zijn polymeren die zich vormen via amine-bindingen. In onze moleculen zitten de bouwstenen aan elkaar vast via een disulfide binding. Dit verschil zorgt voor een ander vouwpatroon.’

Het is de eerste beschrijving van een complexe gevouwen structuur (een zogeheten foldameer) die radicaal afwijkt van eiwitten. ‘Ondanks tientallen jaren onderzoek hebben we nog steeds geen betrouwbare ontwerpregels waarmee we de vouwing van eiwitten helemaal kunnen voorspellen’, legt Otto uit. Dit remt de ontwikkeling van nieuwe, in het lab ontworpen enzymen. Een nieuwe klasse vouwende moleculen kan helpen om te begrijpen welke regels er gelden bij het vouwen van moleculen. ‘Het molecuul dat we in ons artikel beschrijven is bovendien de eerste van een serie die we inmiddels hebben ontdekt, en die we in vervolgartikelen zullen beschrijven.’

Ontstaan van leven

Eiwitten kennen twee belangrijke gevouwen structuren: de alfa helix en de bèta sheet. ‘Bij het ontwerpen van eiwitten gebruiken wetenschappers variaties op deze thema’s, door bijvoorbeeld een extra helix toe te voegen’, zegt Otto. ‘Ze blijven daardoor dicht bij wat de natuur hen aanbiedt.’ De nieuwe gevouwen structuur levert vijf groepen van elk vijf gestapelde aromatische ringen op. Het hele molecuul heeft daardoor een vijfzijdige symmetrie. ‘Maar de andere gevouwen structuren die we nog bestuderen laten weer andere soorten vouwing zien.’

De ontdekking van nieuwe, gevouwen moleculen leidt tot een belangrijke conclusie: complexiteit kan spontaan ontstaan. ‘Dit is interessant voor onderzoek naar het ontstaan van leven. Blijkbaar kun je dit soort complexe moleculen krijgen voordat er sprake is van biologische evolutie.’ Vouwing is zelfs de drijvende kracht achter de vorming van het nieuwe molecuul, legt Otto uit. ‘Dat is heel bijzonder. Het energieniveau van dit molecuul is erg laag, waardoor het evenwicht van een willekeurig mengsel van kleinere ringen verschuift naar deze zeer stabiele polymeer van vijftien bouwstenen.’

De nieuwe ontdekking zal ons begrip van gevouwen moleculen vergroten, wat kan leiden tot gericht ontwerp van functionele moleculen. Of de nu ontdekte polymeren op basis van een disulfide verbinding ook werken als katalysatoren (net als enzymen van eiwit) is nog niet duidelijk. ‘We weten dat ze andere moleculen kunnen binden, maar we onderzoeken nog of ze ook in staat zijn tot katalyse.’ Vouwen is belangrijk om de actieve centra van enzymen te vormen: ‘Je moet daarvoor delen van het molecuul heel precies ten opzichte van elkaar positioneren. Dit kan niet via directe chemische bindingen tussen aminozuren, het lukt alleen via vouwen.’

Promovendus Bin Liu, de eerste auteur van het artikel in JACS, heeft een zeer belangrijke rol gespeelt in het hele onderzoek, benadrukt Otto. Allereerst heeft hij het gevouwen molecuul ontdekt. ‘En de kristallen voor de röntgendiffractie zijn gemaakt door Piotr Chmielewski in Polen, met wie Liu samenwerkte voor zijn Master scriptie. Het lab van Chmielewski deed ook NMR analyses. Het synchrotron onderzoek van de kristallen vond plaats bij Zangrando en Nicola Demitri in Italië, en Liu reisde van Groningen via Polen naar Italië met alle monsters.’

Referentie: Bin Liu, Charalampos G. Pappas, Ennio Zangrando, Nicola Demitri, Piotr J. Chmielewski, and Sijbren Otto: Complex Molecules that Fold like Proteins Can Emerge Spontaneously. Journal of the American Chemical Society, 2019.