Wat als je het concept achter IKEA zou kunnen toepassen op het ontwerpen van eiwitten? Dat maakt het bouwen van je eigen eiwitstructuren veel makkelijker en biedt heel veel mogelijkheden. Timothy Huddy, David Baker en collega’s van de Universiteit van Washington hebben precies dat aangetoond in een recent artikel in Nature.

‘Normaal gesproken zijn alfa-helixen in eiwitten gedraaid, dus twee of meer alfa-helixen gecombineerd vormen structurele motieven die je coiled coils noemt, vergelijkbaar met een gedraaid touw’, legt Eva Bertosin uit, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Cees Dekker (TU Delft) die werkt aan DNA origami en niet betrokken was bij dit onderzoek. ‘De truc is dat deze alfa-helixen recht zijn, waardoor ze bijna als bakstenen fungeren.’

Eenvoud

De eenvoud van dit werk is tegelijkertijd ook de schoonheid ervan. ‘De onderzoekers bouwden eenvoudige eenheden op basis van steeds hetzelfde element en konden het op elke gewenste manier uitbreiden’, zegt Bertosin. ‘Er zijn rechte blokken, hoekige blokken, blokken met bochten of vertakkingen, allemaal gebaseerd op hetzelfde structurele element. Je hoeft de blokken dus niet telkens opnieuw te maken.’ De auteurs laten de modulaire opbouw van verschillende structuren zien, zoals gestutste dubbele ringen, eiwit nanokooien en zelfs een vezelstructuur die lijkt op een treinspoor.

Artikel gaat verder onder de afbeelding

Volgens Bertosin kun je hier allerlei kanten mee op. ‘Je kunt denken aan materialen op basis van eiwitten die je stijf maakt door ze te combineren met mineralen. Het zou ook fantastisch zijn om vormen te ontwerpen met functionaliteiten, zoals katalytische sites of specifieke bewegingen.’ Het toedienen van medicijnen is een andere mogelijkheid. ‘Je zou een kooi kunnen maken die een medicijn bevat en opengaat wanneer het een of andere cel bereikt of wanneer het bepaalde moleculen detecteert.’

De mogelijkheid om structuren met specifieke functies vanaf nul te ontwerpen is een grote stap voorwaarts in dit gebied. ‘Als je aan natuurlijke eiwitten denkt, begin je met een sequentie die al informatie bevat over de vorm en functie’, zegt Bertosin. ‘We kunnen al wel de vorm voorspellen, maar nog niet de functie. Maar door de functie in een gewenste vorm te gieten, wat zou kunnen als je Bakers werk doortrekt, kun je dat omzeilen. Het kan ons verder ook helpen te begrijpen wat er in de natuur gebeurt en waarom.’

DNA origami

Bertosin gebruikt een soortgelijk concept in haar DNA-origami-onderzoek, waarbij ze natuurlijke materialen herontwerpt en probeert ze in specifieke contexten te gebruiken of nieuwe functies te geven. ‘DNA origami is iets eerder begonnen, maar ik denk dat er een mogelijkheid is om het te combineren met de novo eiwitontwerp.’

‘Het veld van DNA origami beweegt zich bijvoorbeeld in de richting van geïntegreerde en mobiele structuren, en het veld van eiwitontwerp volgt op de voet’, legt de postdoc uit. ‘Als je die bewegingen combineert met eiwitbouwstenen, zou je functionele kunstmatige nanomotoren kunnen maken.’ Een andere mogelijkheid is om de symmetrie in Bakers eiwitstructuren te doorbreken. ‘Symmetrie doorbreken is moeilijk, maar het is al mogelijk binnen de DNA-origami-tak, dus dat zou kunnen leiden tot hele interessante DNA-eiwitstructuren.’

Bertosin is erg onder de indruk en enthousiast over de toekomstige mogelijkheden. ‘Tot een paar jaar geleden waren de dingen die Baker en zijn collega’s laten zien absoluut ondenkbaar. En de ontwikkeling is heel snel gegaan. Er is een mooie toekomst voor dit veld, als je denkt aan het integreren van functies en het nabootsen van natuurlijke eiwitten, maar dan zonder al het gedoe dat daar meestal bij komt kijken.’

Huddy, T.F. et al. (2024) Nature 627, DOI: 10.1038/s41586-024-07188-4