Komt de natuur nieuwe chemische stoffen tegen, dan past ze enzymen aan om daarvan te profiteren. Frances Arnold helpt de natuur een handje, met industriële behoeftes in het achterhoofd. ‘Ik maak graag dingen die meteen doorgaan naar mensen die er iets aan hebben.’

Een moleculenfokker, noemt Frances Arnold (61) zichzelf. De Amerikaanse onderzoeker verwierf wereldfaam met directed evolution, genetische omscholing van natuurlijke enzymen om onnatuurlijke taken te verrichten. Dit jaar haalde ze Science met een enzym dat koolstof bindt aan silicium, een element dat moeder natuur vier miljard jaar consequent links heeft laten liggen, en Nature Chemistry met een gewijzigd cytochroom P450 dat geen O, maar een N tussen de C-H-bindingen van benzeenringen zet. ‘Het is een beetje zoals katten fokken’, vindt Arnold. ‘Je hoeft niet tot op DNA-niveau te snappen hoe een kat aan streepjes komt. Wat je nodig hebt is kennis en ervaring, zodat je ontluikende eigenschappen kunt herkennen. Alleen goede fokkers kunnen dat.’

Dit voorjaar was ze even in Nederland, op uitnodiging van de TU Delft die haar de jaarlijkse Van ’t Hoff-lezing toevertrouwde. ‘Wie is hier de beste chemicus?’, vroeg ze de zaal, en ze gaf meteen het antwoord: ‘Je microben. Die werken efficiënt en schoon, als groene chemische synthesemachines.’ Daarbij benutten ze maar een beperkt aantal aminozuurvolgordes als enzym en nieuwe varianten maken ze niet door willekeurig aminozuren te rijgen (‘het aantal mogelijkheden is dan een groter getal dan de Amerikaanse staatsschuld’), maar door bestaande enzymen geleidelijk te laten muteren. Directed evolution doet in wezen hetzelfde, alleen veel sneller en met kunstmatige in plaats van natuurlijke selectie.

C2W ontmoet Arnold op het zonnige achterdek van het hotelschip SS Rotterdam: bepaald geen kamergeleerde, maar een zelfverzekerde ingenieur die vertelt dat ze ooit taxichauffeur is geweest omdat dat beter betaalde dan de pizzatent: ‘Met een big fat car door heel smalle straatjes rijden, dan leer je wel je angst in te slikken.’

Je bent toen begonnen als student luchtvaart- en ruimtevaarttechniek. Hoe dat zo?

‘Die studie stelde de minst hoge eisen. Ik was toen niet van plan echt als ingenieur te gaan werken, ik dacht dat ik ceo van een multinational zou worden of een eigen bedrijf zou starten. Maar toen ik eind jaren zeventig mijn bachelor haalde, ging het steeds slechter met de luchtvaartindustrie. Toen ben ik maar biochemisch ingenieur geworden. Net op het moment dat de DNA-revolutie begon en we voor het eerst leerden de code of life te manipuleren. Toen ik promoveerde was biotechnologisch onderzoek booming.’

Dus je bent met de stroom meegegaan?

‘Er was nog geen stroom. Ik was gefascineerd door eiwitten. Ik droomde ervan om enzymontwerper te worden, een ingenieur van de biologische wereld. DNA-technologie was gloednieuw en er waren nog maar een paar mensen mee bezig. Wij creëerden de stroom zelf.’

Je hebt ooit gezegd dat je er nooit aan zou zijn begonnen als je had geweten hoe moeilijk het was.

‘Kijk, het mooie van evolutie is dat je niet precies hoeft te weten wat je doet. Wat het ene enzym beter maakt dan het andere, is onbekend. De kunst is om evolutie te leren gebruiken als een ingenieursgereedschap waarmee je binnen een paar weken of maanden resultaat kunt boeken.’

Hoe gaat zo’n experiment ongeveer in zijn werk?

‘Vrij simpel. We synthetiseren DNA dat codeert voor een enzym en we introduceren mutaties. Zo maken we duizenden verschillende versies in één generatie. Die screenen we, op zoek naar een uitgangspunt voor de volgende generatie. We bewaren alleen wat ons bevalt en dat DNA recombineren we, de rest gooien we weg. Zo gaan we door tot we de eigenschappen hebben die we willen.’

Hoe kies je het enzym waarmee je begint?

‘Dat hangt af van de probleemstelling. Maar het moet dicht in de buurt zitten van wat je hebben wilt. Ook in de natuur komt nieuwe chemische functionaliteit voort uit wat er al is. Daarom is diversiteit ongelofelijk belangrijk, je weet gewoon nooit waar de oplossing vandaan gaat komen. Voor het enzym dat koolstof-siliciumbindingen vormt, hebben we onze collectie gescreend om enzymen te vinden die het al een klein beetje konden. Daar had niemand ooit eerder naar gezocht, maar er bleken er heel wat te bestaan.

Zie je, de natuur innoveert als er een nieuwe context ontstaat. Je introduceert een antibioticum en de natuur moet eromheen zien te werken. Of je dumpt giftig afval en de natuur leert het te eten. We hebben al enzymen gevonden die plastic flessen afbreken. De natuur heeft die capaciteiten klaarliggen voor het geval ze ooit een organisme van pas komen. Voor silicium bestond de context uit een synthetisch carbeen dat je niet vindt in de biologische wereld. Zo gaf ik de natuur voor het eerst de kans deze chemie te doen.’

Verander je willekeurig aminozuren?

‘Nee, er zit echt een procedure achter. De kunst is het zo aan te pakken dat je voldoende kans hebt om mutaties te vinden die een vooruitgang betekenen. Je kunt willekeurig één of twee mutaties per keer introduceren, verspreid over het eiwit. Je kunt ook specifieke domeinen muteren.

‘De kunst is evolutie te gebruiken als gereedschap’

Je experiment contamineren met té veel kennis is echter gevaarlijk. Als je mutaties willekeurig introduceert, vertellen de experimenten je welke plekken belangrijk zijn. Je kunt ook het eiwit onderwerpen aan wat jíj denkt dat belangrijk is, maar misschien heb je het mis. Daarom ben ik dol op willekeurige mutagenese.’

Hoeveel van die mutanten willen niet eens meer vouwen?

‘Maar een heel klein percentage. We proberen het aantal mutaties zo in te stellen dat ongeveer de helft zijn functie behoudt. Meestal zijn er dan een paar bij die beter werken. Verrassend genoeg maken de meeste mutaties een eiwit niet helemaal kapot, het wordt er alleen minder goed door. Onze eiwitten zijn robuust en dat is maar goed ook, want anders zou je je nageslacht vermoorden bij elke sigaret die je opsteekt.’

Hoe bepaal je welke onderwerpen je aanpakt?

Ik ben een type dat snel wil worden beloond. Ik maak graag dingen die meteen doorgaan naar mensen die er iets aan hebben. Dat geldt voor industriële producten, voor chemie, zelfs voor enzymen die farmaceutica máken.

Maar ik beslis niet alles zelf. Op Caltech werk ik met twintig briljante jonge mensen, we hebben een platformtechnologie waarmee we van alles kunnen evolueren, en er komen voortdurend slimme nieuwe mensen binnen die vragen stellen.’

En dan wijs je het toe aan een promovendus?

‘Nou, ik probeer mensen niet precies te zeggen wat ze moeten doen, dat beperkt hun creativiteit. Maar je moet beginnen met de juiste vraag te stellen. Als je alles willekeurig screent, vind je niets nuttigs. Je hebt chemische intuïtie nodig om te weten welke eiwitten ergens toe in staat zijn.’

Noem eens een van de grootste successen.

‘Een goed voorbeeld is de productie van Januvia, een middel van Merck voor de behandeling van diabetes type 1. Een van mijn ex-promovendi werkt nu bij Merck, en samen met collega’s heeft hij een enzymproces ontwikkeld dat de hoeveelheid toxisch afval zeer sterk vermindert en de edelmetaalkatalysator vervangt die ze vroeger gebruikten. Daar wordt de wereld gewoon beter van.

‘Ik ben een type dat snel beloond wil worden’

Ze gingen uit van een enzym dat maar heel weinig activiteit vertoonde voor de trans­aminering die ze zochten. Ik geloof dat er meer dan twintig generaties overheen zijn gegaan. Maar ze wisten dat er evolutionaire processen waren waarmee ze het eindpunt zouden halen. Dat is het hele punt: het is een wetenschappelijk proces. Alleen maar bidden dat er iets gebeurt, is geen wetenschap.’

Zullen we ooit de werking van een enzym kunnen voorspellen?

‘Ik roep al twintig jaar dat het tijdens mijn wetenschappelijke leven niet gaat gebeuren en hoe ouder ik word, hoe minder ik twijfel dat het nog wel even zal duren. We beginnen aardig goed te worden in het voorspellen van eiwitstructuren uit sequenties. Maar de grote vraag is niet hoe het vouwt, maar wat het doet. Dat beschrijven op het detailniveau dat we gewend zijn van chemie of van olie uit de grond pompen, daar zijn we nog niet goed in.

Biochemici denken weleens dat ze een structuur kunnen ophelderen en dan slim genoeg zijn om aan te geven op welke plek een mutatie een gunstig effect heeft. Maar we kunnen nog niet eens alle elektrostatische interacties binnen een eiwit in kaart brengen. We kunnen metaalkernen niet goed beschrijven, terwijl de helft van alle enzymen met metalen werken. We snappen de invloed van dynamische processen op de reactiviteit niet, en nog veel minder hoe we een dynamisch systeem moeten ontwikkelen. De meeste eiwitten zijn geen rotsen waar een substraat in en uit gaat, ze gaan open en dicht en worden extern geregeld. Twintig jaar geleden waren we er veel sterker van overtuigd dat we ze ooit zouden kunnen ontwerpen, dan we nu zijn. Ons begrip van de complexiteit groeit sneller dan ons begrip van hoe we ze moeten ontwerpen.’

Beknopt cv Frances Arnold

2016: Millennium Technology Prize

1996-heden: hoogleraar, Caltech. Sinds 2000 Dick and Barbara Dickinson professor of chemical engineering, bioengineering and biochemistry

1992-1996: universitair hoofddocent, Caltech

1987-1992: universitair docent, Caltech

1986: postdoc, Caltech

1985: PhD chemical engineering, UC Berkeley

1979: bachelor mechanical and aerospace