Katalysatoren zijn hulpstoffen die reacties sneller doen verlopen, maar zelf bij de reactie niet worden verbruikt. Het bekendst is wellicht de katalysator die in je auto schadelijke gassen omzet naar iets minder schadelijke, maar ook in de natuur komen katalysatoren veel voor. De bekendste biologische katalysatoren zijn enzymen; deze eiwitten brengen moleculen bij elkaar en helpen deze om een reactie te laten verlopen, bijvoorbeeld het omzetten van twee beginmoleculen tot één product.

Zonder enzymen zou het verteren van een boterham een eeuwigheid duren, en hetzelfde geldt voor allerlei andere essentiële processen in het menselijk lichaam. Er zijn reacties die door tussenkomst van een enzym binnen een seconde verlopen, terwijl deze zonder de bemiddeling door zo’n biologische katalysator maanden zouden kosten.

Voor de productie van voedsel profiteert de mens al millennia van enzymen uit gist: denk maar aan het bakken van brood en het brouwen van bier, waarbij de toegevoegde gistenzymen een onmisbare rol vervullen. Daarnaast worden enzymen die in ons lichaam (en in andere organismen) vetten afbreken, de zogeheten lipasen, sinds enkele tientallen jaren gebruikt in wasmiddelen. De laatste jaren is er binnen de industrie steeds meer aandacht voor de voordelen die enzymen als katalysator ook in (andere) chemische processen kunnen bieden. Ze zijn milieuvriendelijker dan bijvoorbeeld giftige metaalcomplexen, functioneren onder milde omstandigheden (lagere temperatuur) en zijn bij uitstek geschikt voor de productie van bouwstenen voor geneesmiddelen.

Het door Martijn Veld (28) gebruikte lipase, Candida antarctica Lipase B (afgekort als CALB), is afkomstig uit een aan de extreme weersomstandigheden van de Zuidpool aangepaste schimmel. “CALB is een bijzonder enzym”, vertelt Veld. “Het is erg stabiel en is binnen een groot temperatuurbereik actief. Bovendien accepteert het veel verschillende beginstoffen en kun je het in een niet-waterige omgeving gebruiken.” Dat laatste is belangrijk, aangezien CALB normaal gesproken vetachtige stoffen afbreekt met behulp van water. Als er geen water aanwezig is, zal het in plaats hiervan gebruikmaken van alcoholen of amines, die hierbij omgezet worden in andere, nuttige reactieproducten.

Veld gebruikte het enzym CALB om aminen om te zetten in amiden - een bestanddeel van talloze kunststoffen en ook van allerlei geneesmiddelen. Op zich niet zo bijzonder, maar sommige stoffen hebben twee spiegelbeeldvormen, wat in het geval van geneesmiddelen van groot belang kan zijn. De goede vorm leidt tot het gewenste effect, terwijl de andere variant niet werkt of soms zelfs zeer schadelijk is (zoals in het geval van Softenon). Voor een werkzaam geneesmiddel wil je één van de twee varianten -bijvoorbeeld de rechtshandige variant- van het amidemolecuul kunnen maken. De meeste chemische katalysatoren maken echter geen onderscheid tussen de beide spiegelbeeldvormen, maar de uit een biologische omgeving afkomstige enzymen zijn gewend aan de kieskeurigheid van levende materie en zijn zo gevormd dat alleen de juiste aminevariant wordt omgezet.

Veld stelt de aminemoleculen letterlijk voor als linker- en rechterhandjes; de omzetting naar amidemoleculen representeert hij met het aantrekken van een handschoen met behulp van CALB. Het enzym trekt alleen de rechtshandige moleculen handschoenen aan, met als gevolg dat de rechtshandige aminemoleculen op een gegeven moment allemaal zijn omgezet, terwijl de linkshandige over blijven. Dit levert zuiver rechtshandige amide op, maar Veld is daarmee nog niet tevreden: “Je moet moeite doen om de overgebleven amine te scheiden van het reactieproduct en bovendien gooi je nog de helft van de grondstof weg; dat wil je natuurlijk niet.”

Gelukkig is ook daarvoor een oplossing (zie ook de afbeelding). Veld: “Ik haal als het ware voortdurend de duim van de hand en zet die er aan de andere kant weer aan; zo maak je van een linkerhand een rechterhand en vice versa.” Als ondertussen alle nieuwe rechterhanden telkens van een handschoen worden voorzien (en daardoor niet langer van hun duim kunnen worden beroofd), hou je uiteindelijk geen linkerhandjes meer over. “Dit proces heb ik geoptimaliseerd totdat het driemaal sneller plaatsvindt, zonder in te leveren op zuiverheid of opbrengst”, zegt Veld trots.

Het enzym CALB heeft nog meer talenten: zo heeft Veld het onder meer gebruikt om polymeerketens te maken uit moleculaire bouwstenen. Onder invloed van CALB vormen zich lange, lineaire ketens. “Als je dat probeert met een chemische katalysator, krijg je met deze bouwstenen geen lineaire ketens, maar een structuur met veel vertakkingen. Maar doordat CALB het verschil ziet tussen de reactieve groepen in het midden en aan het uiteinde van de bouwstenen, maak je lineaire ketens waarvan de zijgroepen nog beschikbaar zijn om andere moleculen aan te koppelen. Je kunt zo plastics maken waarvan je heel nauwkeurig de materiaaleigenschappen kunt aanpassen. Dan moet je vooral denken aan mogelijke nieuwe materialen voor biomedische toepassingen, zoals zelfoplossend hechtdraad en geraamtes om nieuwe, lichaamseigen hartkleppen op te kweken.” (TJ)/.

Het enzym CALB (blauw) zorgt ervoor dat de moleculaire bouwstenen (midden) lineaire ketens vormen (onder) in plaats van vertakte netwerken (boven).

Het enzym CALB zet amine (blote handen) om in amide (met handschoenen). Om geschikte bouwstenen voor geneesmiddelen te maken, worden de overgebleven linkerhanden eerst omgezet in rechterhanden.