Proteine ​​im Reagenzglas „zähmen“: Gerichtete Evolution von Enzymen

Damit das Leben weitergehen kann, ist Energie erforderlich. Die Freisetzung, Speicherung und Nutzung von Energie muss durch chemische Reaktionen erfolgen, die auf einer speziellen Art von Proteinen beruhen: Enzymen. Sie werden von lebenden Zellen synthetisiert, katalysieren sehr effizient verschiedene biochemische Reaktionen innerhalb und außerhalb von Organismen und werden häufig bei der Herstellung von Lebensmitteln, Medikamenten, Futtermitteln und anderen Materialien verwendet.

Heute erlebt dieser chemische Motor aller Lebensaktivitäten eine stille „ Domestizierungsrevolution “.

Enzym.

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So wie Agronomen Nutzpflanzensorten verbessern, simulieren Wissenschaftler den Mechanismus der natürlichen Selektion, um Enzyme gezielt zu verändern: Sie nutzen Genmutationen, um funktionelle Variationen zu erzeugen und behalten dann die besten Individuen durch künstliches Screening bei. Auf diese Weise überwinden sie die vielen Mängel natürlicher Enzyme, wie etwa die leichte Inaktivierung, mangelnde Stabilität und mögliche Nebenreaktionen. Können wir diese Proteine ​​also „domestizieren“, so wie wir Nutzpflanzen domestizieren?

Bereits 1859 erläuterte der britische Biologe Charles Darwin in seinem Meisterwerk „Die Entstehung der Arten“ die biologischen Prinzipien der menschlichen Domestizierung von Nutzpflanzen. Im natürlichen Fortpflanzungsprozess kommt es bei Organismen gelegentlich zu spontanen, zufälligen Mutationen, sodass es sogar zwischen verschiedenen Individuen der gleichen Art zu Unterschieden kommt. Während des Produktionsprozesses behalten die Menschen absichtlich die Individuen, die ihren Anforderungen am besten entsprechen, um mehr Nachkommen zu zeugen, und wählen unter den Nachkommen weiterhin Individuen aus und behalten diese, die den Produktionsanforderungen besser entsprechen. Auf diese Weise erreichen sie in einem langen Auswahlprozess die Domestizierung von Nutzpflanzen.

Daraus lassen sich die notwendigen Elemente des „Domestizierungsprozesses“ zusammenfassen: zufällige Variation und bedarfsgerechte Auswahl . Im Jahr 1952 hatten Wissenschaftler durch zahlreiche Experimente herausgefunden, dass die DNA das genetische Material zellulärer Organismen ist und die Proteinsynthese in Zellen steuert. Das Wesen der biologischen Variation ist die Veränderung der DNA in Zellen. Bei der Domestizierung von Nutzpflanzen kommt es hauptsächlich zu Variationen durch genetische Rekombination während der sexuellen Fortpflanzung und zufällige Mutationen während der Zellteilung. Allerdings kommt diese Mutation zu selten vor und es dauert lange, bis sie domestiziert wird. Um die Häufigkeit von Mutationen zu erhöhen, griffen die Wissenschaftler zunächst auf „gewalttätigere“ Methoden zurück: Sie setzten den Zellen Faktoren zu, die die DNA schädigen können, wie etwa ultraviolette Strahlen. Diese Faktoren verursachen bestimmte Schäden an der ursprünglichen DNA und zwingen die Zellen, die DNA zu reparieren. Im Reparaturprozess kommt es zwangsläufig zu Fehlern in der Eile, die zu einer höheren Mutationshäufigkeit führen. Ein solcher Mutageneseprozess ist jedoch zu blind. Es kann leicht zu Zellschäden kommen und es kann nicht garantiert werden, dass Mutationen in dem Gen auftreten, das dem Zielprotein entspricht. Daher kann es leicht passieren, dass viel nutzlose Arbeit anfällt.

Um die Mutagenese auf das Zielgen zu konzentrieren, haben Wissenschaftler eine molekularbiologische Technik erfunden, die einem „molekularen Skalpell“ ähnelt – die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) . PCR ist eine Technologie, die die Replikation spezifischer DNA-Fragmente in einem nicht-zellulären System erreicht. Sein Kern ist die DNA-Polymerase, die genetische Informationen originalgetreu „kopiert“. Bei der Katalyse der Synthese neuer DNA kann dieser Enzymtyp nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung sorgfältig neue DNA-Moleküle synthetisieren. Obwohl ihnen gelegentlich „Fehler“ unterlaufen, verfügen die meisten DNA-Polymerasen über einen eigenen „Fehlerkorrekturmechanismus“, der die „falsch kopierten“ Teile identifizieren und korrigieren kann.

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Wenn wir ein bestimmtes Genfragment mutieren müssen, können wir die für die Transkription verantwortliche DNA-Polymerase durch ein Enzym ersetzen, das keinen „Fehlerkorrektur“-Mechanismus besitzt, und die Konzentration der Magnesiumionen in der Reaktionsumgebung erhöhen, um die Wahrscheinlichkeit von „Kopierfehlern“ der DNA-Polymerase zu erhöhen.

Nachdem diese DNA-Fragmente gewonnen wurden, werden sie mit Vektoren verknüpft und in Zellen eingeführt. Dadurch kann eine große Anzahl von Zellpopulationen mit zufälligen Mutationen bestimmter Gene gewonnen werden. Diese präzise gezielte molekulare Bearbeitung führt auch zu häufigeren zufälligen Mutationen, was die Mutationseffizienz um mehr als das Hundertfache erhöht und eine echte „chirurgische“ genetische Modifikation ermöglicht.

Mittlerweile haben Wissenschaftler viele Enzyme durch die Technologie der gerichteten Evolution „domestiziert“, doch diese Nachahmung der natürlichen Selektion birgt ein unvermeidliches Problem: Genau wie in der Natur ist die Erzeugung von Mutationen im Labor ungerichtet . Könnten völlig neue Proteine ​​direkt nach der Bauanleitung im Gehirn hergestellt werden, ließe sich die Produktionseffizienz erheblich steigern.

Mit der Weiterentwicklung der Computertechnologie begannen Wissenschaftler, Werkzeuge der Informationstechnologie zu verwenden, um die dreidimensionale Struktur und die entsprechenden Funktionen von Proteinen vorherzusagen und detaillierte „Blaupausen“ von Proteinen zu zeichnen. Beispielsweise kann die berühmte AlphaFold-Plattform eine hochpräzise Vorhersage der Proteinstruktur erreichen. Jeder, der eine Reihe von Aminosäuresequenzen eingibt, kann die entsprechende Proteinstruktur sehen und sogar die Interaktion zwischen Proteinen und anderen Molekülen wie DNA und RNA vorhersagen.

Am 9. Oktober 2024 teilten sich Demis Hassabis und John Jumpe von Google DeepMind den Nobelpreis für Chemie 2024 mit dem Proteindesign-Pionier David Baker für ihre Vorhersage der Proteinstruktur.

Bildquelle: Offizielle Website von Nature

Darüber hinaus kann das Proteinfunktionsvorhersagesystem „CLEAN“ detaillierte und genaue Proteinfunktionsvorhersagen in der Datenbank durchführen. Mithilfe dieser Werkzeuge können Wissenschaftler Proteine ​​genauer modifizieren und sogar Proteine ​​mit spezifischen Funktionen erzeugen, die in der Natur nicht vorkommen. Wissenschaftler können die wichtigste Komponente – das kleinste aktive Zentrum – anhand der Funktion des Proteins bestimmen und dann mithilfe von Computertools schrittweise einen vollständigen Bauplan für das Proteinskelett erstellen. Nach mehreren Iterationen und Optimierungen weist das gemäß der Blaupause synthetisierte neue Protein eine hohe Übereinstimmung mit der vorhergesagten Struktur auf und verfügt über katalytische Fähigkeiten, die denen natürlicher Proteine ​​nahe kommen.

Mithilfe dieser Werkzeuge der künstlichen Intelligenz wird die Erforschung und Herstellung von Enzymen in Zukunft zwangsläufig einfacher und aktiver werden.

Quellen:

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Autor: He Yiwen, Bachelor- und Masterabschluss an der Tsinghua-Universität, Mittelschullehrer

Gutachter: Li Xu, Forscher bei der China Association for Science and Technology, außerordentlicher Professor an der University of Science and Technology of China

Produziert von: Science Popularization China

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