Noncanonical catalytic-relay geometry and PET-oligomer accommodation in a CheB-like α/β-hydrolase from Pseudomonas marincola

Plastic flessen en synthetische vezels danken hun duurzaamheid aan een chemische structuur die resistent is tegen afbraak, wat ze ideaal maakt voor verpakkingen maar moeilijk te recyclen. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar de oplossing van de natuur: een enzym dat kan fungeren als moleculaire scharen om deze taaie plastic ketens terug te snijden naar hun oorspronkelijke bouwstenen. Het bekendste voorbeeld van een dergelijk enzym werd ontdekt in een bacterie gevonden nabij een recyclingbedrijf in Japan, wat bewees dat biologie inderdaad plastic kan eten. Het vinden van een nieuw enzym is echter niet zo eenvoudig als het zoeken naar een specifieke set ingrediënten. Veel enzymen delen een gemeenschappelijk structureel blauwdruk, inclus\truef een trio van chemische componenten die gewoon samenwerken om verbindingen door te snijden. Het feit dat een enzym dit trio bezit, garandeert nog niet dat het klaar is om plastic aan te pakken; de componenten moeten op een zeer specifieke manier zijn gerangschikt, en het enzym moet over een zak die groot genoeg is om de plastic keten vast te houden terwijl het snijdt.

Onderzoekers hebben onlangs hun aandacht gericht op een nieuw geïdentificeerd enzym van een mariene bacterie genaamd Pseudomonas marincola. Dit enzym, bekend als A0A8S2BEP2, behoort tot een familie van eiwitten die normaal gesproken bacteriën helpen hun omgeving waar te nemen, maar de structuur suggereerde dat het ook de mogelijkheid zou kunnen hebben om polyethyleentereftalaat af te breken, oftewel PET, het plastic dat wordt gebruikt voor waterflessen. Om deze mogelijkheid te testen zonder jaren te wachten op laboratoriumexperimenten, gebruikte het team krachtige computersimulaties om een 3D-model van het enzym te bouwen en plaatsten ze vervolgens virtueel kleine stukjes plastic in de actieve site. Ze zochten naar een zeer specifiek resultaat: zou het plastic in de juiste positie zitten, dicht genoeg bij de snijtool van het enzym, om een chemische reactie mogelijk te maken?

De studie begon met het construeren van twee verschillende computermodellen van het enzym om er zeker van te zijn dat de resultaten niet slechts een toevalstreffer waren van één specifief softwareprogramma. Eén model werd gebouwd met behulp van een modern kunstmatig intelligentiesysteem dat getraind is op bekende eiwitstructuren, terwijl het andere model werd gebouwd door de sequentie van het enzym te vergelijken met een bekende experimentele structuur van een vergelijkbaar eiwit. Beide modellen kwamen overeen over de algemene vorm van de kern van het enzym, het deel dat verantwoordelijk is voor chemische reacties. Echter, toen de onderzoekers de rangschikking van de drie belangrijke chemische componenten binnen het enzym onderzochten, stuitten ze op iets onverwachts. In enzymen die erin slagen plastic succesvol door te snijden, zijn deze componenten in een precieze volgorde uitgelijnd waardoor ze een chemische lading kunnen doorgeven zoals een estafettestokje. In dit mariene enzym was de volgorde omgedraaid. De component die de lading zou moeten ontvangen, was in plaats daarvan gepositioneerd om deze te geven, en vice versa. Deze "niet-canonieke" rangschikking betekende dat het enzym niet vooraf georganiseerd was voor de taak op de manier waarop een werkende plastic-etende machine dat wel zou zijn.

Om te zien of het enzym ondanks deze vreemde rangschikking nog steeds kon functioneren, voerde het team een virtueel dockingexperiment uit. Ze namen twee kleine fragmenten van plastic, die de uiteinden van een gebroken plastic keten vertegenwoordigen, en probeerden deze in de actieve site van het enzym te passen. Ze voerden de simulatie twaalf keer uit, waarbij ze honderden mogelijke posities voor de plasticmoleculen genereerden. De computer scoorde elke positie op basis van hoe goed het plastic paste en hoe stevig het aan het enzym bleef plakken. Hoewel de computer veel posities vond waar het plastic goed vastzat, waren er zeer weinig van deze posities die in de juiste plek zaten om te worden doorgesneden. Van de 120 verschillende pogingen om het plastic te docken, bevonden slechts vijf posities het plastic dicht genoeg bij de snijtool van het enzym en onder de juiste hoek om potentieel te reageren. Nog veelzeggender was dat de beste posities, waar het plastic het stevigst vastzat, zich eigenlijk ver weg van de snijtool bevonden, in een nabijgelegen groef.

De onderzoekers vergeleken deze resultaten met een bekend plastic-etend enzym dat in een laboratorium was bestudeerd. Toen ze dezelfde virtuele test op dat bekende enzym uitvoerden, slaagde de computer er ook niet in om posities te vinden waar het plastic dicht genoeg was om te worden doorgesneden, wat bevestigde dat de simulatie realistisch gedrag vertoonde en niet zomaar resultaten verzonnen. Het feit dat het nieuwe mariene enzym zelfs een paar veelbelovende posities vertoonde, suggereert dat het een stuk plastic zou kunnen vasthouden, maar de omgedraaide rangschikking van de interne componenten en het gebrek aan top-scorende posities op de juiste plek wijzen erop dat het geen kant-en-klare plastic-eter is. De studie concludeert dat hoewel dit enzym de basisvorm heeft van een machine die plastic zou kunnen snijden, het momenteel niet is ingesteld om dit efficiënt te doen. Het zou aanzienlijke veranderingen in de structuur of de interne chemische rangschikking kunnen vereisen voordat het een effectief hulpmiddel voor recycling kan worden.

Dit werk benadrukt een cruciale les voor de zoektocht naar nieuwe plastic-etende enzymen: het vinden van de juiste onderdelen is niet genoeg. De onderdelen moeten in exact de juiste configuratie worden samengesteld, en de machine moet in staat zijn om het plastic op de juiste manier vast te grijpen. Het hier bestudeerde mariene enzym dient als een herinnering dat de diversiteit van de natuur ook veel eiwitten bevat die lijken alsof ze een taak kunnen uitvoeren, maar daar nog niet helemaal klaar voor zijn. De onderzoekers suggereren dat toekomstig werk zich moet richten op het testen van het enzym in een echt laboratorium om te zien of het kan worden gestimuleerd om te werken, bijvoorbeeld door de vorm aan te passen of de chemische omstandigheden te veranderen. Tot die tijd bieden de computersimulaties een duidelijk beeld van wat wel en niet mogelijk is, waardoor wetenschappers worden weggeleid van doodlopende wegen en richting de enzymen die het plasticprobleem werkelijk kunnen oplossen.