Caroline Paul, associate professor aan de TU Delft, wist dat ze was voorgedragen voor de KNCV Gouden Medaille, maar toen begin oktober een onbekend nummer op haar telefoon verscheen, was ze dat allang weer vergeten. ‘In april had een collega om mijn CV gevraagd, maar daarna heb ik niets meer gehoord. Ik nam aan dat ik niet was geselecteerd. En weet je: er zijn zoveel collega’s die de prijs ook verdienen. Dus toen KNCV-voorzitter Yvonne van der Meer belde, was dat een heel leuke verrassing.’ 

De jury prijst Pauls originele biokatalyse-onderzoek, dat zowel fundamentele inzichten levert als nieuwe industriële toepassingen. Ze heeft de laatste jaren vooral naam gemaakt met vernieuwende studies aan cofactoren: stoffen die enzymen nodig hebben om hun katalytische werk te doen. Maar ook het ontwikkelen van nieuwe synthese-strategieën voor bestaande industriële processen is een belangrijke onderzoekslijn. 

Ze heeft Parijse ouders, werd geboren in Toronto en groeide op in Canada en Frankrijk. Op de middelbare school was ze niet zozeer geïnteresseerd in scheikunde als wel in biologie. ‘Ik was nieuwsgierig en gefascineerd door de chemie van het leven: biologie, fysiologie en medicijnen. Als tiener heb ik op school een spreekbeurt gehouden over chemotherapie. Mijn oom is overleden aan kanker en ik zag hem door de behandeling veranderen in een oude man. Ik wilde weten hoe zo’n behandeling werkt, wat kanker is en hoe het immuunsysteem werkt.’ 

Medicijnen zijn ook een interessant raakvlak tussen chemie en biologie. 

’Ik heb zelfs gesproken met hoogleraren aan de universiteit om erachter te komen of ik geneeskunde moest gaan studeren. In Frankrijk ga je direct na de middelbare school naar de medische faculteit. In Canada doe je eerst drie jaar undergraduate. Ik ben dankbaar dat ik die drie jaar heb gehad, want in mijn eerste jaar aan de universiteit van Toronto had ik inspirerende docenten scheikunde. Ik koos uiteindelijk een specialisatie biologische chemie. Mijn master draaide om synthese van suikers zonder beschermende groepen – dat is heel uitdagend. Het triggerde me om met enzymen te gaan werken, omdat die heel selectief zijn. Vervolgens zocht ik een promotie-onderwerp met een combinatie van biokatalyse en organische chemie. Zo kwam ik terecht in Spanje, in Oviedo, bij een groep die enzymen gebruikt als katalysator om chemicaliën te synthetiseren. Na mijn promotie verhuisde ik naar Delft voor een postdoc-project en sindsdien ben ik in Nederland.”  

In de biokatalyse kun je veel kanten uit. Wat spreekt jou het meeste aan? 

‘Het interdisciplinaire: organische synthese, enzymologie, moleculaire biologie en het gebruik van micro-organismen. Ik ben nog steeds chemicus in hart en nieren, maar je kunt veel kanten op met verschillende disciplines. En ik hou ook van de link met de praktijk. De moleculen waaraan we werken worden gebruikt in de farmaceutische industrie, fijnchemicaliën en de productie van geurstoffen.’   

Het juryrapport bij de Gouden Medaille roemt je werk aan synthetische cofactoren. Waarom zou je natuurlijke cofactoren willen vervangen? 

’Veel enzymen hebben een cofactor nodig om reacties te katalyseren, dus ook de enzymen die in industriële processen worden gebruikt. De bekendste cofactor is nicotinamide-adenine-dinucleotide, NAD. Natuurlijke cofactoren zijn duur, want je moet ze extraheren uit micro-organismen. Bovendien wordt de cofactor verbruikt. Als enzymen een reactie katalyseren dan is één molecuul NAD nodig voor elke enzymatische omzetting. Daarom moet je de cofactor kunnen recyclen, bijvoorbeeld met een tweede enzym en een goedkoop substraat, zoals glucose. Zo’n recyclingsysteem wordt al industrieel toegepast bij de synthese van verschillende medicijnen.” 

‘We moeten niet per se alle bestaande chemische processen vervangen door enzymatische’ 

Maar dat is nog steeds een duur proces? 

‘De kostprijs bepaalt of het rendabel is om een enzymatisch proces industrieel op te schalen. In de farmaceutische industrie lukt dat eerder, door de prijs van het product. Het scheelt natuurlijk ook als je een cofactor in grote hoeveelheden kunt synthetiseren. Er zijn nog meer voordelen, want met een synthetische cofactor kun kiezen tussen de geoxideerde of de gereduceerde vorm, afhankelijk of je reductie of oxidatie wilt katalyseren. Een ander voordeel is dat je het chemische uiterlijk van de cofactor kunt moduleren. Je kunt functionele groepen kiezen, zodat je meer of minder reductiekracht krijgt. We hebben een hele reeks cofactor-varianten gemaakt, waarmee we de snelheid van de reductiereactie kunnen tunen. We onderzoeken ook of we met cofactoren een alkylgroep kunnen overbrengen om zo koolstof-koolstofverbindingen te creëren.’  

Sleutelen aan cofactoren klinkt eenvoudig, maar je komt er snel achter dat de natuur daar heel anders over denkt. Enzymen zijn namelijk optimaal geëvolueerd voor interactie met een specifieke cofactor. De groep van Paul zoekt naar cofactoren met een eenvoudiger structuur dan NAD. Een voorbeeld is nicotinamide mononucleotide (NMN) dat structureel lijkt op NAD, maar kleiner is. NAD heeft een langgerekte vorm die bindt in een bijpassende groef op veel enzymen. NMN is kleiner en plakt daardoor minder stevig in de groef, wat resulteert in een lage reactiesnelheid.  

Wie nieuwe cofactoren maakt, ontkomt er niet aan om het uiterlijk van enzymen op een aantal plaatsen aan te passen, zodat de cofactor wel goed wordt herkend. De groep van Paul ontwerpt aangepaste enzymen met computationele methoden, die vervolgens in een reageerbuis worden getest op enzymactiviteit. ‘Dat is erg uitdagend. Soms als we één aminozuur veranderen, dan vouwt het eiwit al niet meer. Tegenwoordig kunnen we wel steeds meer door machine learning en nieuwe AI-tools, dat helpt bij het rationeel aanpassen van enzymen.’ 

Een andere strategie is laboratoriumevolutie, waarbij het metabolisme van E. coli zo is aangepast dat de bacterie alleen kan groeien als het de alternatieve cofactor NMN gebruikt. Door te screenen op de best groeiende bacteriën, komen zo enzym-varianten in beeld die geoptimaliseerd zijn voor gebruik van NMN. De katalytische efficiëntie van deze mutanten is met ruim een factor honderd verbeterd en daarmee ligt industriële toepassing in het verschiet.  

Naast onderzoek aan cofactoren is retrosynthese een belangrijke onderzoekslijn, zegt Paul. ‘Dat begint met een bouwsteen voor een geneesmiddel, een aminozuur-analoog of een aroma- of smaakstof. We doen bijvoorbeeld onderzoek aan een precursor van menthol. Als smaakstof is menthol een miljardenmarkt met drie chemische bedrijven die het produceren uit citronellal en citral. In dat proces is destillatie nodig om isomeren te scheiden, plus een rhodiumkatalysator. Maar je bereikt geen 99 procent selectiviteit. Wij hebben recent laten zien dat je met twee enzymen en de goedkope grondstof geraniol  99,8 procent zuivere citronellal kunt maken, de belangrijkste precursor voor mentholproductie. Natuurlijk moeten we dat nog opschalen, maar dit is erg interessant, omdat we met twee enzymen zo’n hoge selectiviteit kunnen bereiken.’ 

‘Ik vind het geweldig om te zien hoe studenten zich ontwikkelen en hun vleugels uitslaan’ 

Als je niet meer hoeft te destilleren en geen dure katalysator nodig hebt, lijkt me dat een logische innovatie.  

‘Enzymen zijn duurzamer, zou je kunnen zeggen, maar er zijn ook productiekosten voor het enzym. Daarom zijn enzymatische processen eerder aantrekkelijk voor farmaceutische bedrijven. Medicijnen hebben een hoge waarde en je wilt 99,9 % van één enantiomeer. Om bijwerkingen te vermijden wil je het zuiverste dat je kunt krijgen. Met enzymen kan dat, omdat ze zo selectief zijn. Maar voor een industriële stof als menthol moeten bedrijven eerst een berekening maken. Waar halen we de enzymen vandaan en hoeveel kost dat? Er moet voldoende economische stimulans zijn voor bedrijven om het te implementeren.’ 

Sommigen beweren dat we petrochemie en katalysatoren kunnen vervangen door microbiële en enzymatische processen. Alles groen en duurzaam. Is dat realistisch?  

‘Duurzaamheid is een belangrijk onderwerp en iedereen wil een groenere planeet en een duurzamere manier van leven. Maar je moet wel naar de cijfers kijken en een eerlijke vergelijking maken. Er zijn allerlei chemische processen die heel efficiënt zijn. Moeten we die allemaal vervangen door enzymen, alleen maar omdat we het idee hebben dat enzymen duurzamer zijn? Dat enzymen biologisch afbreekbaar zijn, is maar één aspect van duurzaamheid, want het produceren van enzymen verbruikt bijvoorbeeld veel water. Om een reëele vergelijking te maken moet je dus een levenscyclusanalyse uitvoeren. Ik denk niet dat we per se alle bestaande chemische processen moeten vervangen door enzymatische processen. We kunnen wel bedenken welke processen giftig zijn of een onveilige werkplek opleveren, of schaarse metalen gebruiken. Dat zijn kandidaten om te vervangen door enzymen.’ 

We moeten dus per geval bekijken wat het beste is. 

‘Op sommige plekken werkt het, dus pas je een enzym toe en op andere plekken vertrouw je op een efficiënte chemische reactie. Methoden kunnen elkaar ook aanvullen, als we chemische synthese combineren met enzymatische stappen die waarde en selectiviteit toevoegen. En dan is het een rationele keuze.’ 

Je leidt nu zelf jonge chemici op. Wat adviseer je studenten hoe ze zich moeten oriënteren op de richting die ze kiezen?  

‘Mijn eerste advies is om te beginnen met wat je boeit en motiveert. Geef je de voorkeur aan scheikunde of meer de moleculaire biologie? Er zitten verschillende aspecten aan projecten waar studenten biokatalyse zich bij ons op kunnen richten. Je kunt geen verkeerde richting inslaan, want tijdens mijn studie en promotie heb ik ook aan veel verschillende onderwerpen en projecten in verschillende labs gewerkt. Daardoor realiseerde ik me wat me wel of juist niet motiveerde. Dus het is goed om te proberen en te heroriënteren op iets dat je echt interesseert en fascineert. Ik vind het geweldig om te zien hoe studenten zich ontwikkelen en vervolgens hun vleugels uitslaan bij een bedrijf of universiteit. En ik wil niet dat ze precies doen wat ik heb gedaan, dus ik vertel ze niet wat ze moeten studeren, of welke richting ze kiezen. Ik vraag: wat vind je leuk? En waar zie jij jezelf over vijf jaar. Gaandeweg verandert je doel misschien, maar je hebt in ieder geval een doel om naar te streven.’  

Wetenschap is heel competitief en er zijn veel getalenteerde studenten en promovendi. Dat levert ook prestatiedruk. 

‘Je kunt je, als je net begint, klein en overweldigd voelen door oudere collega’s. Je wilt precies zijn zoals die succesvolle postdoc in het lab, maar hij heeft vijf jaar meer ervaring. Mijn advies is om jezelf te vergelijken met wie je een jaar geleden was. Dan kun je zien waar je vooruitgang hebt geboekt. Elk jaar hebben we een evaluatie met promovendi en vragen we: hoe zie je het afgelopen jaar? Waar zie je jezelf over een jaar? Dat helpt echt om de dingen in perspectief te plaatsen. We hebben allemaal een eigen carrièrepad.’