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Programming in vitro evolution using molecular fitness functions

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Die Suche nach neuen Enzymen mit einem molekularen Computer

Das Protein-Engineering birgt erhebliche potenzielle Vorteile in sich, ist aber ein schwieriges und langwieriges Verfahren. Winzige molekulare Maschinen könnten die Geschwindigkeit, mit der neuartige und verbesserte Varianten gefunden werden können, enorm steigern.

Weltraum

Enzyme sind leistungsstarke Katalysatoren, die in zahlreichen Branchen zum Einsatz kommen – von der Biomedizin bis hin zur industriellen Fertigung. In Laborumgebungen haben natürlich vorkommende Enzyme zu wichtigen Fortschritten wie der Entdeckung der Polymerase-Kettenreaktion sowie von CRISPR geführt, und bieten großes Potenzial für eine grüne Chemie. Um weitere Fortschritte zu erzielen, müssen Enzyme erzeugt werden, die nicht in der Natur vorkommen und unnatürliche chemische Rollen übernehmen können, um eine breite Palette wünschenswerter Funktionen und Produkte zu ermöglichen. Ihre Gestaltung ist allerdings immer noch ein mühsamer Vorgang, dem eine begrenzte Rechenleistung und untragbare Arbeitskosten im Weg stehen. Das EU-finanzierte Projekt ProFF schickte sich an, sich dieser Herausforderungen mit einem neuen System für eine gesteuerte Entwicklung von Enzymen anzunehmen. „Es gibt viele Anwendungen, für die Enzyme erforderlich sind, die es in der Natur nicht gibt – Enzyme, die effizienter, temperaturbeständiger und so weiter sind“, erklärt der Projektkoordinator Yannick Rondelez, Forscher am ESPCI und CNRS. Rondelez, der einen Hintergrund in der molekularen Programmierung hat, einer Form der synthetischen Biologie, verfolgte den Ansatz, biologische Maschinen zu entwickeln, die ihre Arbeit ohne einen lebenden Wirt verrichten können und durch kleine, kurze Stränge synthetischer DNA namens Oligonukleotide codiert werden. „Wir erschaffen sie nicht für biochemische, sondern für rechnerische Zwecke“, so Rondelez. Die Systeme nutzen die Tatsache aus, dass der evolutionäre Prozess als Algorithmus verstanden werden kann, der bestimmte Ergebnisse statt wiederholter Iterationen selektiert – in diesem Fall Verbesserungen an Enzymen.

Molekulare Programmierung

Der herkömmliche Ansatz an das Protein-Engineering umfasst, mehrere Varianten zu erschaffen und ihre Aktivität nacheinander zu erproben. Dann werden die besten von ihnen ausgewählt und das Verfahren wiederholt. Aufgrund dessen ist dieser Vorgang langsam und arbeitsintensiv. „Je größer das Inventar, das manipuliert wird, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, ein gutes Exemplar zu finden“, fügt Rondelez hinzu. „Aber mit herkömmlichen Verfahren ist es schwierig, dieses Verfahren mit großen Stückzahlen durchzuführen. Wir versuchen diesen Engpass zu beseitigen, um eine sehr große Anzahl an Enzymen manipulieren zu können.“ Zu diesem Zweck zielten Rondelez und sein Team darauf ab, ein molekulares Programm zu konzipieren, das die phänotypische Aktivität eines Enzyms mit der genetischen Replikation verknüpft. „Wir stellen eine Emulsion mit einer Milliarde Gen-Kompartimenten her, die jeweils eine Variante und das molekulare Programm enthalten“, merkt er an. „Wenn das Enzym die richtige Aktivität aufweist, löst es das molekulare Programm und die Replikation seines eigenen Gens aus.“ Der Ansatz nutzt verschiedene Phänotyp-Genotyp-Kopplungsstrategien aus, da die Leistung eines Enzyms erprobt werden muss, während gleichzeitig mitverfolgt wird, welche Gensequenz es hervorgebracht hat.

Ein Diagnostik-Spin-out

„In unserem Projekt arbeiteten wir viel mit Enzymen, bei denen das Substrat selbst DNA ist: Ligasen und so weiter“, erklärt Rondelez. „Da unser molekulares Programm aus DNA bestehet, ist es einfach, die Enzymaktivität an ein System auf DNA-Basis zu koppeln. Bedeutsamerweise konnten wir jedoch zeigen, dass der Ansatz auch bei Enzymen funktioniert, die auf Substraten wirken, welche nicht auf DNA beruhen.“ Das Projekt wurde vom Europäischen Forschungsrat unterstützt. „Dank dieser Förderung konnte ich ein neues Labor ausstatten und ein neues Team einstellen“, so Rondelez, der von Japan nach Frankreich gezogen war, um das Projekt zu leiten. „Es war ein sehr riskanter Schritt, so viele Verfahren in unsere Arbeit einzubinden, auf die wir nicht spezialisiert waren, und so etwas ist nur mit großzügiger langfristiger finanzieller Unterstützung möglich.“ Aus dem Projekt gingen mehrere Veröffentlichungen und zur Veröffentlichung eingereichte Artikel hervor und ein Aspekt der Forschung führte zur Einrichtung eines Spin-out-Unternehmens, das sich mit Diagnostik befasst. Rondelez gibt an, dass er vor hat, das neuartige Verfahren seines Teams zugänglicher und schneller zu machen, sodass Enzyme in wenigen Tagen optimiert werden können.

Schlüsselbegriffe

ProFF, Enzyme, gezielt, Entwicklung, Oligonukleotide, DNA, Diagnostik, Kopplung, Genotyp, Phänotyp, Replikation, Aktivität

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