Chemische probes onthullen verborgen functie van bacteriële enzymen

Van veel eiwitten in bacteriën weten wetenschappers wel de genetische code, maar niet wat ze daadwerkelijk doen in een cel. Eén gen kan bovendien voor meerdere functies zorgen, waardoor het raden naar de rol van een eiwit alleen op basis van DNA vaak misleidend is. Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en het Environmental Molecular Sciences Laboratory (EMSL), een onderzoeksfaciliteit van het Amerikaanse Department of Energy, bedachten een manier om die functie direct zichtbaar te maken: met chemische probes die alleen reageren zodra een enzym daadwerkelijk actief is.

Licht als verklikker van enzymactiviteit

Het team bouwde een bibliotheek van fluorogene stoffen: moleculen die pas gaan oplichten nadat een enzym ze heeft doorgeknipt. Deze stoffen werden losgelaten op bacteriën uit de bodem die van nature chitine afbreken, het taaie materiaal waaruit schimmelwanden, insectenpantsers en schaaldierschilden zijn opgebouwd. Zodra een enzym in de bacteriecultuur actief bleek, gaf de stof een fluorescentiesignaal af. Zo kon het team in korte tijd zien welke van de duizenden onbekende eiwitten in de bacteriën daadwerkelijk werk verzetten, zonder dat vooraf bekend hoefde te zijn welk gen daarvoor verantwoordelijk was.

Van lichtsignaal naar geïdentificeerd eiwit

De aanpak stopt niet bij het waarnemen van activiteit. De onderzoekers voegden aan de actiefste stoffen een chemisch label toe, waardoor de eiwitten die erop reageerden apart konden worden opgevist uit het mengsel van duizenden andere moleculen. Met behulp van een massaspectrometer, geleverd door EMSL, brachten ze vervolgens exact in kaart om welke eiwitten het ging. Deze twee-stappen-methode – eerst activiteit meten, dan het verantwoordelijke eiwit isoleren en identificeren – bracht een groep enzymen aan het licht die bekendstaan als amidehydrolasen. Dat zijn eiwitten die amidebindingen knippen, chemische verbindingen die niet alleen in natuurlijke polymeren als chitine voorkomen, maar ook in synthetische kunststoffen zoals nylon.

Juist die overlap maakt de vondst interessant. De onderzoekers ontdekten enzymen met een breed werkterrein: ze knippen niet slechts één type molecuul, maar tolereren uiteenlopende bindingen. Dat soort veelzijdige biokatalysatoren is aantrekkelijk voor de industrie, omdat ze mogelijk kunnen worden ingezet om kunststofafval af te breken of grondstoffen op een duurzamere manier te recyclen. Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Chemical Communications, laat zien dat microbiële gemeenschappen in gewone bodemgrond nog altijd een onontgonnen bron zijn van bruikbare enzymen. Volgens de onderzoekers kan de methode breder worden ingezet om de functie van onbekende eiwitten op te helderen, met toepassingen in de milieumicrobiologie, de biotechnologische productie-industrie en mogelijk zelfs de medische sector.