Digitaal ontworpen eiwit werkt als antivriesmiddel voor biologisch materiaal

Zomers fruit zoals aardbeien in de vriezer gooien is geen succes. Tijdens het ontdooien loopt het sap er deels uit en ontstaat er een soort aardbeienpapje, niet erg smakelijk. Dat komt onder andere doordat er zich tijdens het vries- en ontdooiproces scherpe ijskristallen in de aardbei vormen die de celstructuur van binnenuit lek prikken. Datzelfde gebeurt bij donororganen op ijs, ingevroren sperma, en immuuncellen voor immuuntherapie.

Trucje van vissen

Een (internationaal) team van onderzoekers geleid door Ilja Voets van de TU/e en Renko de Vries van Wageningen University & Research ontwikkelden met de computer een eiwit dat de vorming van ijskristallen tegengaat. Ze keken daarvoor een trucje af bij vissen. “De natuur heeft al manieren gevonden om met vrieskou om te gaan”, vertelt Rob de Haas, promovendus bij Physical Chemistry and Soft Matter in Wageningen en eerste auteur van de publicatie. In de Noordelijke IJszee, waar de temperatuur onder het vriespunt ligt, zwemmen bijvoorbeeld vissen zonder dat ze bevriezen. “Zij maken antivrieseiwitten en die stofjes voorkomen ijsvorming in hun lichaam.”

Hoewel wetenschappers al langer van het bestaan van antivrieseiwitten weten, zijn die stofjes enorm complex en lastig om na te maken. Daarom bouwde De Haas een versimpelde versie ervan. Eerst op de computer, en later in het lab. Hij startte met de simpelste variant die wetenschappers kennen: een antivrieseiwit uit de Amerikaanse winterschol. Digitaal versimpelde hij het eiwit van de vis verder door uitsteeksels te verwijderen. Wat overbleef, is wat wetenschappers een alfa-helix noemen. Dat is een eiwit in spiraalvorm, zoals de veer in een balpen.

Uit vorm gedraaid

Net als een veer heeft zo’n alfa-helix een stabiele houding. Maar als je eraan draait, kun je hem iets vervormen. “Het viel me op dat het natuurlijke antivrieseiwit van de vis op zo’n manier vervormd was”, vertelt De Haas. Dat was andere wetenschappers nog niet opgevallen. Op zijn computer bouwde de promovendus daarom eerst het antivrieseiwit als een perfecte spiraal, en draaide het eiwit geleidelijk uit de stabiele vorm. Zo ontwikkelde hij uiteindelijk vier digitale varianten die hij vervolgens in het laboratorium namaakte in bacteriën.

“Ik testte de werking van de vier antivrieseiwitten door ze aan een dun laagje water toe te voegen en bracht het geheel dicht bij het vriespunt”, vertelt De Haas. Onder de microscoop bestudeerde hij de ijskristallen. Hoewel kristallen niet te voorkomen zijn, zijn ze een stuk kleiner en minder destructief wanneer de gedraaide antivrieseiwitten aanwezig zijn. “Door de draaiing van het eiwit liggen de aminozuren die de waterkristallen vastgrijpen precies in lijn”, verklaart de promovendus. Op die manier past het antivrieseiwit als een perfecte mal op het ijs en voorkomt het dat de kristallen verder groeien.

Zwijnensperma

Ondanks het succes, is het kunstmatige antivrieseiwit nog niet klaar om toegepast te worden bij organen voor transplantaties. “Dat is nog heel ver weg”, zegt De Haas. “Eerst willen we testen of ons antivriesmiddel schade voorkomt wanneer we eenvoudige cellen invriezen en ontdooien”. Vooral dat tweede geeft vaak problemen. Cellen snel invriezen kan eenvoudig door ze onder te dompelen in vloeibaar stikstof, maar ontdooien blijft een geleidelijk proces waar scherpe ijskristallen de tijd krijgen om zich te vormen en biologisch materiaal te beschadigen. “De eerste proeven van collega-onderzoekers bij de leerstoelgroep Animal Breeding and Genomics laten een positief effect zien van ons antivrieseiwit op het overleven van zwijnensperma wanneer ze dat invriezen en ontdooien. Dit biedt perspectief voor verder gezamenlijk onderzoek”, aldus de Vries.

Een extra voordeel van het Wageningse antivrieseiwit, is dat het de simpelste van zijn soort is. “De antivrieseiwitten die in de natuur voorkomen zijn enorm moeilijk te bestuderen”, vertelt De Haas. Er bestaan veel verschillende varianten en door hun complexe vorm snappen wetenschappers nog altijd niet hoe ze werken. Met zijn kunstmatige eiwit bracht De Haas het antivrieseiwit terug naar de absolute basis.

En ook Ilja Voets (TU/e) onderkent de betekenis van het werk: “Voor het eerst kunnen we nu antivrieseiwitten digitaal ontwerpen én op enkel eiwit-niveau meten. Dankzij deze twee ontdekkingen kunnen we in de toekomst beter bestuderen hoe antivrieseiwitten precies werken.”  

Meer details

De novo designed ice-binding proteins from twist-constrained helices, de Haas et al., PNAS, (2023).

Source: WUR.