In het chemisch-biologisch laboratorium van de TU Eindhoven maakt men eiwitten die voorkomen dat biologisch weefsel beschadigd raakt als het wordt ingevroren. Hiermee willen de onderzoekers een methode ontwikkelen om donororganen langer te kunnen bewaren.  

Het gaat om synthetische eiwitten, die in de natuur niet bestaan maar door mensen zijn bedacht. Deze zijn geïnspireerd op antivrieseiwitten die wél in het echt voorkomen, zoals in het bloed van sommige pooldieren. Zo danken poolvissen aan de eiwitten (ofwel proteïnen) dat hun bloed niet bevriest als ze vlak onder het ijs op Antarctica rondzwemmen, en zijn ook sommige insecten en microalgen die in ijzige omstandigheden leven voorzien van dit antivriesmiddel.

Werking

Zowel de natuurlijke antivrieseiwitten als de kunstmatige varianten voorkomen de groei van ijskristallen in weefsel. Deze ijskristallen zijn een belangrijke oorzaak van zogeheten cryobeschadigingen, valt te lezen in een nieuwsbericht van de TU/e. De kristallen beschadigen cellen, waardoor deze vloeistoffen gaan lekken. Het is de reden waarom rood fruit papperig wordt als het na invriezen weer wordt ontdooid.

De onderzoeksgroep onder leiding van hoogleraar Ilja Voets van het Instituut voor complexe moleculaire systemen gebruikte een nanoscoop – dat is een zeer sterke microscoop – om de antivrieseiwitten te bestuderen. Hiermee konden ze de interactie tussen individuele eiwitten en het ijs volgen. De eiwitten bleken de groei van ijs te remmen door zich aan het oppervlak van een ijskristal vast te hechten, zodat op dat vlak geen watermoleculen meer kunnen binden. De ijskristallen blijven dan klein. 

Nieuwe versies

In samenwerking met wetenschappers van Wageningen University & Research en  Washington University en gebruikmakend van AI ontwierp de groep uit Eindhoven vervolgens nieuwe kunstmatige eiwitten. Ook die bezitten de eigenschap dat ze ijskristallisatie voorkomen, maar ze zijn stabieler, actiever en veelzijdiger dan de ijsbindende eiwitten uit de natuur. Zo kunnen de synthetische eiwitten tegen hogere temperaturen dan de natuurlijke eiwitten, waarvoor kamertemperatuur soms al te warm is.

Met behulp van E. coli-bacteriën produceren de onderzoekers deze kunstmatige eiwitten nu in het laboratorium. In december publiceerden ze hierover in PNAS een wetenschappelijk artikel. 

Toepassingen

Omdat de synthetische eiwitten modulair zijn ontworpen – dus in feite bouwblokjes vormen waar grotere moleculen mee kunnen worden gebouwd – kunnen er voor verschillende toepassingen specifieke eiwitten mee worden gemaakt. Enkele van die mogelijke toepassingen zijn het bewaren van voedsel en van donororganen.

Deze maand ontving Voets een ERC Proof of Concept subsidie om het onderzoek voort te zetten, en een methode te ontwikkelen die donororganen langer houdbaar maakt.

Openingsbeeld: Antivriesproteïnen vormen ijs tot zeshoekige bipyramiden – bevroren kunstwerken van de natuur. Afbeelding: Daniëlle van den Broek, TU Eindhoven