Frances Arnold verzorgt Van ’t Hofflezing

Professoren Isabel Arends en Andrzej Stankiewicz nodigden haar uit. Arends las haar artikelen al als postdoc. Deze vrouwelijke hoogleraar heeft een lange staat van dienst in de biotechnologie. “Om al sinds de jaren negentig zo’n succesvol lab te runnen in de VS, dat is redelijk uniek”, vertelt Arends. “Ze is echt een frontrunner en een rolmodel voor vele vrouwelijke en mannelijke wetenschappers.”

U hebt Frances Arnold voorgedragen voor de Van ’t Hofflezing. Wilt u haar introduceren?

“Frances is van oorsprong een chemisch technologe, en ze richt zich op het maken van enzymatische methoden om de productie van chemicaliën, biobrandstof en farmaceutische producten duurzamer te maken. Ze doet dat met enzymen die ze ontwikkelt als katalysatoren. Dat is ook mijn eigen vakgebied, en Frances heeft het vak echt een stuk verder gebracht. Kijk, enzymen zijn eiwitten en ze kunnen heel veel, maar ze kunnen vaak net niet wat je ervan verlangt. Bij een chemische reactie om een product te maken, zoals een medicijn tegen suikerziekte, zijn een aantal processtappen nodig. Stel je een ingewikkeld chemisch proces voor met ketels en reactoren voor de verschillende stappen. Met enzymen kun je individuele stappen soms overslaan en vaak simpeler maken, waardoor je minder afval produceert, en minder chemicaliën nodig hebt. Het enzym is dan de katalysator.”

Hebben we het dan over enzymen binnen organismen, of als losse bestanddelen?

“Als losse bestanddelen die door bacteriën of schimmels geproduceerd worden met de juiste eigenschappen.”

Dat klinkt heel efficiënt en ook futuristisch. Zijn er al voorbeelden van te noemen?

“Er zijn heel veel voorbeelden van. Geëvolueerde enzymen worden al toegepast in de farmaceutische industrie bij de productie van cholesterolverlagers en medicijnen voor diabetes. Een heel andere toepassing is het vrijmaken van suikers uit cellulose voor biobrandstoffen. Houtsnippers of maisloof bevatten cellulose. Als je daar suikers uit vrij wilt maken gebeurt dat met enzymen. Ook die enzymen worden gemaakt door gestuurde evolutie. Zij is daar de grondlegger van.”

Ik heb haar horen vertellen dat omdat we vaak geen idee hebben hoe enzymen werken, evolutie wordt gebruikt om de beste enzymen eruit te halen. Hoe werkt dat?

“Een enzym wordt geproduceerd in een organisme. Hoe we evolutie in de klassieke microbiologie evolutie toepassen, is dat we zo’n organisme laten groeien in de omgeving van de stof die je wilt aanpakken. Stel dat je benzeen wilt afbreken, dan laat je dat organisme in de aanwezigheid van benzeen groeien. Door de evolutionaire druk gaat dat organisme iets ontwikkelen dat benzeen kan afbreken. Dan kun je de fractie waar de enzymen in voorkomen verder verrijken. Dat is een langdurig proces van maanden of jaren want daar moeten generaties overheen gaan. Dat proces zou je graag in het laboratorium versnellen.”

Maar hoe doe je dat?

“Je richt je dan niet meer op het organisme, maar je laat een organisme gelijk heel veel varianten van het enzym produceren. Dat kun je afdwingen we omdat de genetische code van het dna kennen. Het organisme produceert het enzym, maar nu niet een paar enzymen, maar gelijk tienduizenden varianten. De moleculaire biologie is zo ontwikkeld dat dat tegenwoordig gewoon kan. Vervolgens gebruik je een robot om uit die hele bibliotheek aan varianten enzymen te selecteren die het best benzeen afbreken. Dat proces herhaal je dan een aantal keren totdat je uiteindelijk het enzym vindt dat het best geschikt is voor die toepassing.”

En Frances Arnold heeft die methodiek ontwikkeld?

“Ja, zij is de grondlegger van directed evolution. Die aanpak maakt het mogelijk om zonder dat je de structuur van het enzym weet toch een bibliotheek aan varianten te maken. Haar lab in Californië, CalTech, is daar wereldberoemd om. Het is ook door de industrie opgepakt. Arnold zelf is de medeoprichter van het bedrijf Gevo, dat technologie voor geavanceerde biobrandstoffen en biochemicaliën ontwikkelt.”

De Jacobus van ’t Hoff-lezing is voor een breed publiek. Kan zij begrijpelijk vertellen over haar werk?

“Ja, dat kan ze heel goed. Frances Arnold heeft vorig jaar de Millennium Technology Prize gewonnen. De reden dat we haar hebben uitgenodigd is dat zij, in tegenstelling tot veel anderen in dit vakgebied, een brede blik heeft. Ze heeft een goede neus voor wat je met enzymen in de praktijk kunt doen, en ze is altijd op zoek naar nieuwe voorbeelden. Ze kan heel goed uitleggen waarom het een belangrijke technologie is, en ook het bredere plaatje schetsen. Dat is ook een van de redenen achter haar succes.”

• Jacobus Henricus van ’t Hoff (Rotterdam, 1852) studeerde in 1871 af als chemisch technoloog aan de toenmalige Polytechnische school in Delft. In 1901 ontving hij de Nobelprijs voor scheikunde voor de ontdekking van de osmotische druk. Na zijn vroege overlijden werd een fonds in zijn naam opgericht ter bevordering van de scheikunde. Om de vijf jaar wordt daar de Van ’t Hofflezing mee gefinancierd.