Een design-eiwit met een net niet perfecte helix is in staat om ijskristallen in toom te houden, zo beschrijven Wageningse en Eindhovense onderzoekers in PNAS.
Voorkomen van schade door ijskristallen, zowel tijdens het bevriezen maar misschien nog wel meer tijdens het ontdooien, is relevant voor allerlei materialen die bij temperaturen onder nul moeten functioneren of intact moeten blijven. Natuurlijke ijsbindende eiwitten vormen daarom een geliefde inspiratiebron om nieuwe vormen van antivriesmiddelen, die bijvoorbeeld geschikt zijn voor het conserveren van donororganen, te ontwikkelen.
Dankzij deze eiwitten kunnen tal van organismen overleven in condities die normaal gesproken tot bevriezing (en dus de dood) zouden leiden. Denk aan vissen die leven in de poolzeeën, waar de temperaturen tot onder het vriespunt kunnen zakken. De beschermende werking van de ijsbindende eiwitten berust onder meer op hun vermogen om — de naam suggereert het al —aan ijskristallen te binden en zo het (her)kristallisatie proces te remmen. Dat zorgt ervoor dat beginnende kristalletjes niet uitgroeien tot grote en scherpe kristallen die zachte weefsels verwoesten.
Grote variatie
De natuurlijke eiwitten zijn echter om allerlei redenen (beperkte stabiliteit, kostbaar in productie, niet compatibel met de toepassing, etc.) niet geschikt voor concrete toepassing, maar structuurelementen en functionele sequenties kunnen als basis dienen voor nieuwe moleculen met dezelfde functionaliteit. Structuur-activiteitrelaties zijn echter moeilijk in kaart brengen voor deze groep, want er zijn heel veel verschillende ijsbindende eiwitten die een grote variatie aan structuren vertonen. Sommige hebben duidelijke secundaire structuurelementen met veel alfa-helices of bèta-solenoïden (gevouwen ‘linten’), terwijl er bij anderen geen enkele structuur aanwezig is, of ze zijn zwaar geglycosyleerd. Tegelijkertijd hebben simulaties wel enig licht geworpen op de moleculaire geometrie van ijsbindende eiwitten waardoor ze aan bepaalde ijskristalvlakken kunnen binden.
Met die inzichten als basis heeft Rob de Haas, promovendus in de Physical Chemistry and Soft Matter-groep van Renko de Vries (Wageningen), nu de novo een nieuwe ijsbindende structuur ontworpen. Hij nam daarvoor het meest eenvoudige en best bestudeerde eiwit, wfAFP, uit de type-1 IBP familie, als uitgangspunt. Dit kleine eiwit van 37-residuen bestaat uit een enkele, vrijwel rechte alfa-helix met de sequentie TXXXAXXXAXX als repetitief element, waarbij X vaak ook alanine is.
Teruggedraaid
Opvallend genoeg is de helix in wild type wfAFP, dat voorkomt in de Amerikaanse winterschol, een beetje vervormd; er is sprake van een lichte ’undertwist’. Alsof de helix iets is teruggedraaid. De Haas besloot zich op dat aspect te concentreren bij het nieuwe ontwerp. Hij startte met een perfect gedraaide alfa-helix als onderdeel van een bundeltje met nog twee andere helices zonder ijsbindende activiteit, maar die als drager dienen om de structuur van de actieve helix intact te houden. Vervolgens ontwierp hij vier varianten met elk een net iets verschillende undertwist in de functionele helix.
Door deze vier virtuele ‘eiwitten’ in bacteriën te produceren kon hun activiteit ook daadwerkelijk worden getest. Dat bleek succesvol - in aanwezigheid van de helix-bundeltjes bleven de ijskristallen duidelijk kleiner dan zonder. Volgens de onderzoekers zorgt de net niet perfecte draaiing van de helix ervoor dat de threonines, die cruciaal zijn voor de ijsbindende activiteit, allemaal op één lijn liggen, waardoor ze perfect zijn gepositioneerd om aan te grijpen op de ijskristallen.
De waarde van deze resultaten ligt volgens het team vooral in de nieuwe inzichten in de rol van de secundaire structuur van ijsbindende eiwitten. Ze laten hiermee zien dat de novo ontwerp op basis van natuurlijke sjablonen een zinvolle manier is om tot nieuwe, ijsbindende moleculen te komen. Gezien de enorme natuurlijke variëteit aan ijsbindende eiwitten kan dit een scala aan mogelijkheden opleveren.
1 Opmerking van een lezer