Scheikundigen automatiseren het maken van complexe koolhydraten

Onderzoeker Geert-Jan Boons van de University of Georgia en de Universiteit Utrecht heeft een nieuwe methode ontwikkeld om complexe koolhydraten geautomatiseerd te synthetiseren. “Daarmee kunnen wetenschappers wereldwijd voor het eerst de koolhydraten die in verband gebracht worden met ziektes als kanker op een makkelijkere manier maken, om ze vervolgens in detail te kunnen onderzoeken.” Nature Chemistry publiceerde het principe op vrijdag 21 februari.

Een nieuw principe maakt het voor het eerst mogelijk om grote collecties complexe koolhydraten, die ook wel bekend staan als glycanen, te produceren. Hoogleraar chemische biologie en medicijnontwikkeling Geert-Jan Boons ontwikkelde de methode. Drie jaar geleden kwam Boons naar de Universiteit Utrecht, nadat hij ruim twintig jaar in de Verenigde Staten had gewerkt. Bij zijn voormalige groep aan de University of Georgia is hij nog steeds actief en ontwikkelde hij het systeem waarmee complexe koolhydraten automatisch te maken zijn.

Eerst begrijpen, dan ingrijpen

De impact van het automatische platform zal groot zijn. Boons licht toe: “Glycanen zijn medeverantwoordelijk voor ziektes als kanker, infectieziekten en neurologische aandoeningen. Ze bevinden zich aan de buitenkant van alle cellen en zijn betrokken bij kankercel metastase en zijn ook de aanhechtingspunten van ziekteverwekkers zoals het griepvirus. Als we deze processen beter begrijpen, kunnen we er uiteindelijk op ingrijpen.”

Grote collecties koolhydraten nodig

Kennis over biomoleculen hangt veelal af van de mogelijkheid om ze te maken. DNA en eiwitten, bijvoorbeeld, kunnen al heel lang worden gemaakt in labs overal ter wereld en daardoor kon men er ook veel onderzoek aan doen. Om degelijk onderzoek te kunnen verrichten aan glycanen hebben wetenschappers een grote verscheidenheid van deze verbindingen nodig. De synthese van glycanen is erg complex en was tot nu toe voorbehouden aan een paar labs over de hele wereld. Nu we dat maakproces automatisch kunnen uitvoeren, wordt het voor veel meer labs mogelijk om onderzoek te doen aan deze biomoleculen. Wie met enzymen om kan gaan, kan vanaf nu glycanen maken.”

Chemisch armpje

Het huidige onderzoek deed Boons met zijn groep in de VS. “Zo’n vijf jaar geleden zijn wij bij de University of Georgia gaan richten op het bereidingsproces van ingewikkelde koolhydraten waarvan de synthese mogelijk gemaakt wordt via de activiteit van enzymen die in de natuur deze verbindingen maken.” Daarbij startte Boons met synthese in oplossing. “Het automatisch maken van andere biopolymeren zoals peptides en oligonucleotides gebeurt op een vaste drager, maar dat is niet geschikt voor het bereiden van koolhydraten met enzymen. Het kost veel tijd om na elke tussenstap de restproducten te verwijderen en lukt bovendien niet goed voor de snelle productie van grote collecties van complexe koolhydraten. In plaats van op een vaste drager, voeren we de reacties voor koolhydraatsynthese nu uit in een oplossing, waarin alle voor de reactie benodigde enzymen en zouten aanwezig zijn. We hebben een speciaal resin ontwikkeld waaraan het product van elke tussenstap kan binden. Met een chemisch armpje pakken we het vast, om na het wegwassen van restproducten, het direct in een oplossing los te laten voor de volgende tussenstap.”

Vliegende start

Voor de tweede keer in enkele maanden publiceert scheikundige Geert-Jan Boons met zijn groepen in Utrecht en Georgia een artikel in Nature Chemistry. In december lukte het hem al om de niet-geautomatiseerde productie van hetzelfde type koolhydraten grondig in te korten. Door basale glycanen terug te snoeien en op een andere manier op te bouwen, is het aantal chemische stappen verminderd van honderd naar zo’n tien. “Samen kunnen de twee publicaties een vliegende start gaan betekenen voor het wereldwijde onderzoek aan glycanen die betrokken zijn bij ziekteprocessen zoals kanker, infecties en neurologische aandoeningen. Ik sta dan ook in de startblokken om het onderzoek in Utrecht verder uit te bouwen.”

Publicatie

An automated platform for the enzyme-mediated assembly of complex oligosaccharides
Tiehai Li, Lin Liu, Na Wei, Jeong-Yeh Yang, Digantkumar G. Chapla, Kelley W. Moremen & Geert-Jan Boons* 
Nature Chemistry, 21 februari 2019, DOI 10.1038/s41557-019-0219-8
* verbonden aan de Universiteit Utrecht