Proteinfabriken: Mit der Kraft der Evolution den Feind besiegen

Die Evolution hat in der Milliarden Jahre währenden Entwicklung des Lebens eine entscheidende Rolle gespielt. Die Evolution ist eine gewaltige Naturkraft, die Wissenschaftler im Labor simulieren möchten.

Die Gewinner des Nobelpreises für Chemie 2018 sind zwei amerikanische und ein britischer Wissenschaftler. Als das Nobelpreiskomitee die Auszeichnung erstmals bekannt gab, teilte es allen in liebevollen und poetischen Worten mit, dass die drei Gewinner den Preis für ihre „Nutzung der Kraft der Evolution“ erhalten hätten.

Escherichia coli entwickelt unter der Stimulation von Chemikalien neue Enzyme

Phagen können fusioniertes Antikörperprotein sehr gut präsentieren

Frances Arnold, eine amerikanische Wissenschaftlerin und Professorin am California Institute of Technology, erhielt die Hälfte des Preises für ihre Pionierarbeit auf dem Gebiet der gerichteten Evolution. Bei der gerichteten Evolution wird der Evolutionsprozess künstlich simuliert, um Veränderungen in der Struktur biologischer Moleküle wie Proteinen herbeizuführen und ihnen so die Erlangung bestimmter Funktionen zu ermöglichen. Erwähnenswert ist, dass sie die fünfte Frau ist, die den Nobelpreis für Chemie gewonnen hat.

Der amerikanische Wissenschaftler George Smith und der britische Wissenschaftler Gregory Winter teilten sich die andere Hälfte des Preises für ihre Beiträge zur Phagendisplay-Technologie. Mittlerweile ist die Phagendisplay-Technologie zu einem wichtigen Instrument der Arzneimittelentwicklung geworden.

Der Kern der beiden erfolgreichen Ergebnisse besteht darin, die inhärenten physiologischen Prozesse in biologischen Zellen zu nutzen, um bestimmte Anwendungszwecke zu erreichen. Dieser physiologische Prozess besteht darin, dass Zellen unter genetischer Kontrolle Proteine ​​synthetisieren, was in Organismen ein nie endender biochemischer Prozess ist. Wie also haben diese drei Wissenschaftler die Macht der gerichteten Evolution genutzt, um Milliarden winziger Moleküle zum Wohle der Welt nutzbar zu machen?

Das Wort „Evolution“ steht für einen Aufwärts- und Vorwärtstrend. Auf bestimmte Arten bezogen bedeutet dies, dass eine Art schneller, größer, stärker oder intelligenter wird oder eine größere Toleranz gegenüber bestimmten ungünstigen Bedingungen entwickelt. Die endogene Triebkraft der Evolution von Organismen ist jedoch oft die Evolution bestimmter Proteine ​​in den Zellen, aus denen die Organismen bestehen. Diese entwickelten Proteine ​​erfordern mutierte Gene, um sie zu exprimieren. Um es in der Fachsprache der Biologie auszudrücken: Wenn ein Gen mutiert, verändert sich auch das vom Gen exprimierte Protein. Mit anderen Worten: Die Evolution von Proteinen ist eigentlich das natürliche Ergebnis einer Genmutation.

Gerichtete Evolution ist ein Prozess der schnellen Entwicklung von Proteinen im Labor

Im Laufe der langen Evolution haben beispielsweise australische Koalas die Angewohnheit entwickelt, Eukalyptusblätter als Hauptnahrung zu fressen. Eukalyptusblätter können Terpene produzieren, eine giftige Substanz, die für die meisten Tiere tödlich ist. Allerdings sind bei Koalas die Gene, die mit der Terpenresistenz in Zusammenhang stehen, stark ausgeprägt, was es ihren Nieren ermöglicht, Terpene in wasserlösliche Substanzen umzuwandeln und diese aus dem Körper auszuscheiden. Die starke Nierenfunktion des Koalas ist darauf zurückzuführen, dass die verschiedenen Enzyme, die zum Abbau der Terpene dienen, im Laufe der langen Evolution immer stärker geworden sind.

Die Grundidee der gerichteten Evolution besteht darin, Proteine ​​unter künstlichen Bedingungen wiederholt zu mutieren und zu eliminieren, um so gezielt die gewünschten Proteine ​​zu produzieren. Konkret verwenden wir zunächst die DNA-Synthesetechnologie, um eine Variantengruppe mit einer Vielzahl von Basenanordnungssequenzen zu erstellen (die als DNA-Bibliothek betrachtet werden kann), und verwenden diese DNAs dann, um Proteine ​​entsprechend ihrer Strukturen zu transkribieren, wodurch eine Proteinbibliothek mit einer Vielzahl von Proteinen entsteht. Wenn es darum geht, die von uns gesetzten spezifischen Ziele zu erreichen, werden diese Proteine ​​zwangsläufig unterschiedliche Stärken und Schwächen in ihrer Funktion aufweisen und wir werden dann die besten auswählen. Beispielsweise werden im Produktentwicklungsprozess schlechte Lösungen eliminiert und nur die hervorragenden behalten.

An diesem Punkt hat der Spaß gerade erst begonnen. Nachdem die Wissenschaftler ein besseres Protein ausgewählt haben, führen sie den oben beschriebenen umgekehrten Prozess erneut durch, um die DNA-Struktur zu bestimmen, die der Transkription des Proteins entspricht. Anschließend verwenden sie die sehr ausgereifte PCR-Technologie (die PCR-Technologie ist eine molekularbiologische Technologie, die den natürlichen Replikationsprozess der DNA im Körper simuliert und DNA-Moleküle in vitro verstärkt), um die DNA in großen Mengen zu replizieren. Darüber hinaus können während dieses Replikationsprozesses geeignete Mutationen eingeführt werden, um die Wirksamkeit des Proteins weiter zu verbessern. Nachdem diese Reihe von Vorgängen abgeschlossen ist, kann die Sprungevolution des Proteins in sehr kurzer Zeit abgeschlossen werden.

Proteine, die bestimmte biochemische Prozesse in Organismen durchführen können, sind Enzyme (auch biologische Enzyme, Proteasen usw. genannt). Enzyme sind bestimmte spezielle Proteine ​​(eine sehr kleine Anzahl davon sind RNA oder DNA), die von lebenden Zellen produziert werden. Sie sind an einer Reihe biochemischer Reaktionen in Organismen beteiligt und regulieren die Geschwindigkeit, Richtung und das Ausmaß der Reaktionen durch komplexe und hochentwickelte Mechanismen. Man kann sie als „Zauberer“ in Organismen bezeichnen. Im menschlichen Körper werden Enzyme normalerweise direkt in den Zellen synthetisiert, basierend auf den in den Genen gespeicherten genetischen Informationen.

Enzyme, eine Klasse von Proteinen, verfügen oft über eine beispiellose Effizienz und Fähigkeit zur Lösung bestimmter spezifischer Probleme. Ihre Funktionen sind so faszinierend, dass die Menschheit nicht nur verstehen möchte, wie sie funktionieren, sondern sie auch in großen Mengen erhalten möchte, um sie zu ihrem eigenen Vorteil zu nutzen. Tatsächlich werden künstlich hergestellte Enzyme häufig bei der Herstellung von Waschmitteln, der Behandlung von Rohölverschmutzung, der Herstellung von Biomassebrennstoffen und der Abtötung schädlicher Bakterien eingesetzt. Die evolutionäre Kontrolltechnologie ist ein hervorragendes Werkzeug für die Massenproduktion künstlicher Enzyme.

Welche Funktionen haben künstliche Enzyme?

Einige derzeit vom Menschen synthetisierte Enzyme sind bereits in der Lage, einige chemische Reaktionen mit großem Anwendungspotenzial zu katalysieren. Beispielsweise sind synthetische Proteine ​​bei der Umwandlung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre in organische Moleküle zur Herstellung von Brennstoffen und bei der Kombination von Stickstoff aus der Atmosphäre mit Wasserstoff zur Synthese von Ammoniak ebenso effizient wie anorganische Katalysatoren.

Bei vielen Ostasiaten fehlt es dem Körper an Laktosehydrolase, und sie leiden nach dem Trinken von Milch unter Beschwerden wie Blähungen und Durchfall. Verschiedene Milchsorten, denen künstliche Laktosehydrolase zugesetzt wurde, können die Beschwerden nach dem Milchgenuss deutlich lindern.

Darüber hinaus umfassen die Anwendungen künstlicher Enzyme auch die Behandlung von Krankheiten. Künstliche Enzyme sollen beispielsweise Menschen mit Darmerkrankungen dabei helfen, Gluten im Magen abzubauen und so den Druck auf den Darm zu verringern.