Synthetische Enzyme

Ein Teilgebiet der Synthetischen Biologie befasst sich mit der Herstellung von Enzymen, die die Evolution als solche nie hervorgebracht hätte. Dies ist 'notwendig', weil das Leben zwar perfekt an die Bedingungen in der Natur angepasst ist, nicht jedoch an industrielle Verfahrenstechniken. Man bedient sich dabei der Technik des Enzym-Engineerings, bei dem ein Enzym am Computer als Modell erstellt und theoretisch verbessert wird. Anschließend verändert man das Erbgut eines Bakteriums nach der Aminosäurenabfolge des Computermodells. Dieses Bakterium erzeugt nun das Enzym, das die Ingenieure/Ingenieurinnen zu ihrem Nutzen 'kreiert' haben.

Weil uns diese moderne Technologie nicht zur Verfügung stand, griffen wir für die Herstellung 'unseres' Enzyms auf eine andere Methode zurück. Grundlage dieser Methode ist, dass es möglich ist, gewissermaßen das Repertoire der kanonischen Aminosäuren zu erweitern: Entzieht man dem Nährmedium spezieller, eigens ausgesuchter Bakterien eine Standardaminosäure und fügt anstelle dessen eine nicht-kanonische, jedoch strukturell sehr ähnliche Aminosäure hinzu, so besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass die 'eingeschmuggelte' Aminosäure in die Proteinsynthese einbezogen wird. Das Ergebnis kann in diesem Fall ein Enzym sein, das eine abgewandelte Struktur besitzt und deshalb neue Eigenschaften hat. Man muss erwähnen, dass diese Methode nur mit sehr wenigen Bakterienstämmen funktioniert.

Bild von Ethionin

Ein Beispiel dafür ist das GFP, das grün fluoreszierende Protein, das erstmals 1961 von dem Japaner Osamu Shimomura aus der Qualle Aequorea victoria isoliert wurde. Dieses Protein lässt den Organismus, der es in sich trägt, unter UV-Licht-Einfluss grün leuchten. Wenn dieses Eiweiß an andere Enzyme geheftet wird kann man intrazelluläre Vorgänge - wie zum Beispiel die Teilung des Zellkernes und die damit verbundene Verdopplung des Chromosomensatzes - unter dem Mikroskop betrachten. Das GFP kann durch Umprogrammierung auch gelb oder cyan leuchten. Durch den Einbau von nicht-kanonischen Aminosäuren können auch noch andere Farben (wie z.B. Gold) erreicht werden. Dies gelang erstmals dem berühmten Forscher Dr. Nedilko Budisa vom MPI, unserem Projektpartner und Mentor.
Ein weiteres Beispiel aus der Arbeitsgruppe von Dr. Budisa stellt die synthetische Lipase dar. Stück für Stück wurde eine Aminosäure nach der anderen ausgetauscht bis 14 nicht-natürliche Bausteine in das Enzym eingeflochten waren, wodurch seine Aktivität selbst bei niedrigeren Temperaturen unglaublich gesteigert werden konnte.

Wenn man bedenkt, welche Vielfalt die Natur mit den 20 ihr zur Verfügung stehenden Bausteinen hervorgebracht hat, und welche Möglichkeiten in den

ca. 680 nicht verwendeten Aminosäuren stecken, so kann man sich leicht vorstellen, welche Rolle Protein-Engineering bzw. die Synthetische Biologie in der Zukunft spielen könnten.

Die nicht-kanonische Aminosäuren Norleucin und Ethionin werden zur experimentellen Untersuchung von Proteinstrukturen und -funktionen verwendet. Aminoacyl-tRNA-Synthetasen, wichtige Enzyme in der Proteinbiosynthese, können getäuscht werden, indem man ihnen anstelle ihrer normalen Substrate bestimmte unbiologische Aminosäuren anbietet. So werden Ethionin und Norleucin an solchen Positionen in Proteine eingebaut, die normalerweise Methionin einnehmen würde.

Wir versuchten mit diesen beiden Aminosäuren unsere Katalase zu verändern.

Bild von Norleucin

frei nach
http://de.wikipedia.org/wiki/Norleucin