10 december 2018

In tien chemische stappen in plaats van honderd

Utrechtse scheikundigen ontwerpen veel sneller productieproces voor essentiële suikers

Cellen van alle organismen zijn aan de buitenkant bedekt met complexe suikers die ook wel glycanen genoemd worden. Deze moleculaire structuren beïnvloeden het gedrag van veel eiwitten en spelen een rol in het ontstaan van veel ziektes. Om bepaalde glycanen goed te kunnen bestuderen was voorheen een fabricageproces van zo’n honderd stappen nodig. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben nu een vele malen snellere en efficiëntere manier hiervoor ontworpen. De onderzoekers publiceren vandaag hun resultaten in Nature Chemistry.

Glycanen spelen een belangrijke rol in veel levensprocessen, van embryogenese tot immuunregulatie en het remmen van ontstekingen en kanker. Glycanen worden onder andere gebruikt als biomarkers om kankercellen te kunnen identificeren. Behalve voor het bestuderen van dit soort ziektes zijn glycanen ook een essentieel onderdeel van de meeste bio-gebaseerde geneesmiddelen zoals antilichamen. Glycanen zijn echter veel complexer dan bijvoorbeeld DNA of eiwitten: ze bestaan uit een stam met twee tot vier asymmetrische vertakkingen. Hoe meer vertakkingen, hoe ingewikkelder het syntheseproces. Productie van glycanen in het lab omvat vaak zo’n honderd chemische stappen.

Eigeelpoeder

De Utrechtse onderzoekers Geert-Jan Boons en Gerlof Bosman brengen daar verandering in, in nauwe samenwerking met collega’s van de University of Georgia in de VS. “We nemen hiermee eigenlijk de controle over de biosynthese van glycanen”, legt Boons uit. De onderzoekers ontwikkelden een methode waarbij ze uitgaan van een glycopeptide uit eigeelpoeder, een algemeen verkrijgbaar voedingsmiddel, als bouwsteen voor complexe glycanen.

Terugsnoeien en opbouwen

De eerste stap in het nieuwe productieproces is het ‘terugsnoeien’ van de vertakkingen van het glycopeptide, zodat alleen de stam met een aantal aanhechtingspunten overblijft. De onderzoekers kunnen elk aanhechtingspunt individueel aan- en uitzetten, waardoor de armen van het glycaan één voor één enzymatisch kunnen worden opgebouwd: stuk voor stuk worden de aanhechtingspunten gedeblokkeerd, waarna ze een bepaald enzym op het molecuul loslaten dat het gedeblokkeerde aanhechtingspunt verlengt. Zo bouwen de onderzoekers de asymmetrische armen van het glycaan één voor één op.

Tien stappen

Met deze nieuwe methode slaagden de onderzoekers erin om het productieproces voor een glycaan terug te brengen tot slechts tien stappen. Boons licht toe: “Van het glycopeptide uit eigeel konden we de stof glycosyl-asparagine maken, een aminozuur met een suikerdeel eraan. Het glycosyl-asparagine heeft na vijf chemische en enzymatische stappen twee vertakkingen. Na dat eerste deel, waarin we het natuurlijke productieproces nabootsen, kunnen we vervolgens met behulp van recombinante enzymen in vijf stappen een glycosyl-asparagine met vier armen maken die elk individueel verlengd kunnen worden. Dat is de basis voor de productie van veel verschillende N-glycanen die een rol spelen in ziekteprocessen zoals kanker en virale infecties, maar ook voor het maken van bio-gebaseerde geneesmiddelen.”

Publicatie

Streamlining the chemoenzymatic synthesis of complex N-glycans by a stop and go strategy
Lin Liu, Anthony R. Prudden, Chantelle J. Capicciotti, Gerlof P. Bosman*, Jeong-Yeh Yang, Digantkumar G. Chapla, Kelley W. Moremen en Geert-Jan Boons*
Nature Chemistry, 10 december 2018, DOI 10.1038/s41557-018-0188-3

* onderzoekers verbonden aan de Universiteit Utrecht

In de video meer over glycoscience en de complexe suikers in ons lichaam