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Proteinentwicklung mit anzestralen Rekonstruktionsverfahren

Die meisten Menschen assoziieren Vorfahren mit ihren Urgroßeltern und dem Familienstammbaum. Die molekularen Vorfahren unserer Proteine finden sich allerdings, was angesichts der Natur der Evolution nicht überraschend ist, oft in anderen Arten.
Proteinentwicklung mit anzestralen Rekonstruktionsverfahren
Die Fortschritte in der molekularen Evolution haben die Erkundung von Mechanismen ermöglicht, durch die sich Proteinfamilien in verschiedene Richtungen entwickeln. Man sucht weiter nach experimentellen Verfahren, welche die Ahnen auferstehen oder rekonstruieren lassen. Die Experimente haben bislang ergeben, dass rekonstruierte Vorgänger anfälliger für funktionelle Divergenz sind. Sie sind über einen weiten Temperaturbereich stabiler und weisen eine gegebenenfalls höhere Wahrscheinlichkeit auf Weiterentwicklung als andere Proteinfamilien auf. Obgleich das Potenzial für die Entwicklung von gentechnisch manipulierten Mutanten mit neuartigen Funktionalitäten hoch ist, greifen die existierenden Verfahren nicht ausreichend, um dies zu realisieren.

Wissenschaftler initiierten das EU-finanzierte Projekt "Protein archaeology: Reconstructed ancestors for protein engineering and crystallography" (PROTEINARCHEOLOGY), um Methodologien mit besseren Fähigkeiten zu entwickeln. Die im Rahmen des Projekts entwickelten anzestralen Rekonstruktionsverfahren wurden auf zwei Proteinfamilien angewandt, um aktive Klone mit überragender katalytischer Aktivität zu isolieren. Diese Technik erfordert das Screening von nur 200 bis 300 Varianten im Gegensatz zu den Tausenden, die bei klassischen ausgerichteten Evolutionsexperimenten erforderlich sind. Folglich bieten anzestrale Bibliotheken eine leistungsfähige Ausgangsbasis, um Enzyme technisch zu entwickeln und die katalytische Funktionalität in den generierten Varianten mit erhöhter Stabilität und Löslichkeit zu verbessern.

Ferner wandten die Wissenschaftler die Verfahren an, um mehr Wissen über die evolutionären Mechanismen phosphatbindender Proteine (PBP) zu gewinnen. Die Phosphatbindung ist eine Funktion, die bei vorzeitlichen Organismen zu finden ist. Phosphatbindende Proteine weisen eine starke Affinität gegenüber Phosphat auf und haben entscheidende Bedeutung für den fundamentalen zellulären Prozess der Phosphataufnahme. Die Forscher betrieben eine detaillierte biochemische und strukturelle Charakterisierung von fünf PBP. Die Resultate bewiesen, dass diese Familie unter einem Selektionsdruck in Bezug auf ihre hohe Phosphataffinität und ihre extrem hohe Selektivität steht. Die bahnbrechende Forschungsarbeit konnte den Mechanismus dieser beispiellosen Selektivität demonstrieren. Hier eröffnen sich Möglichkeiten zur Entwicklung stark selektiver medikamentöser Therapien sowie zahlreicher weiterer industriell relevanter, höchst spezieller Moleküle.

PROTEINARCHEOLOGY konnte die Tür zu einer höchst effizienten technischen Weiterentwicklung von Proteinen mit weitreichenden Folgen für die industrielle Chemie und Therapeutika aufgestoßen werden. Die leistungsstarken Instrumente werden außerdem wesentliche Bedeutung für die Entschlüsselung der Mechanismen der molekularen Evolution und der Faktoren haben, welche die Evolution vorantreiben.

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