Om eiwitten warmtebestendig te maken moet je zorgen dat ze zich moeizaam ontvouwen. En dat bereik je door de evolutie als het ware terug te draaien, stellen George Makhatadze en collega’s van Rensselaer Polytechnic Institute in de VS.

Dat ontvouwingstempo heeft weinig te maken met de snelheid waarmee zo’n eiwit zich vouwt. Die laatste wordt ook evolutionair geoptimaliseerd, en daarbij lijkt een regel te gelden die bekend staat als het principle of minimal frustration. Alleen sequenties waarin de aminozuren elkaar tijdens het vouwen zo weinig mogelijk hinderen, zodat het proces zo efficiënt mogelijk verloopt, blijven bestaan.

De stabiliteit van het gevouwen eiwit heeft ook te maken met de binding tussen aminozuren. Maar dan van degenen die helemaal aan het eind van het vouwingsproces tegen elkaar komen te zitten maar er voor die tijd niet aan te pas komen.

Je zou dus verwachten dat op een gegeven moment alleen die laatste categorie aminozuren nog meedoet aan de evolutie, om de eigenschappen van het eiwit te optimaliseren. De thermische stabiliteit is er daar een van. Op die manier zou het vouwproces dus ongeveer hetzelfde moeten blijven, en het tempo ook.

In PNAS presenteert Makhatadze nu een stevige ondersteuning voor die hypothese. Om te beginnen heeft hij acht thioredoxine-enzymen uit verschillende hedendaagse organismen met elkaar vergeleken. Qua 3D-structuur lijken die allemaal op elkaar, en inderdaad blijken ze ook allemaal zo’n beetje in hetzelfde tempo te vouwen terwijl de thermische stabiliteiten duidelijk uiteenlopen. Wat ook wel nodig is omdat zowel in de poolzee als in hete bronnen organismen voorkomen die thioredoxines nodig hebben om te functioneren.

Vervolgens liet hij er een proces op los dat ancestral sequence reconstruction heet: terugredeneren naar gemeenschappelijke voorouders, en gokken hoe het oer-enzym er uit moet hebben gezien voordat het verschillende kanten uit evolueerde. Met in het achterhoofd de wetenschap dat de aarde miljarden jaren geleden een stuk warmer was en dat temperatuurbestendigheid toen een veel grotere rol moet hebben gespeeld dan nu - in latere jaren was het niet meer zo nodig en evolueerde het er uit ten gunste van andere kenmerken.

Makhatadze heeft zeven van die mogelijke oerenzymen gemaakt, die vier miljard jaar teruggaan in de tijd. Inderdaad blijken die langzamer te ontvouwen. Bij een gegeven temperatuur doet de langzaamste er zes uur over, terwijl moderne varianten al na zeven seconden klaar zijn.

De hoop is nu dat je via ancestral sequence reconstruction ook enzymen kunt stabiliseren voor industriële toepassingen.

bron: Rensselaer Polytechnic Institute