Angewandte Chemie

Cover image for Vol. 128 Issue 50

Chefredakteur: Peter Gölitz, Stellvertreter: Neville Compton, Haymo Ross

Online ISSN: 1521-3757

Associated Title(s): Angewandte Chemie International Edition, Chemistry - A European Journal, Chemistry – An Asian Journal, ChemistryOpen, ChemPhotoChem, ChemPlusChem, Zeitschrift für Chemie

Den vollständigen Artikel und die Anschrift des Autors finden Sie in Angew. Chem 2001, 113 (18), 3503 - 3505

Nr. 18/2001

Evolution im Reagenzglas

Enzymoptimierung
durch genetische Selektion

Alle Lebewesen unterliegen dem langsamen und kontinuierlichen Prozess der Evolution. In sich wiederholenden Zyklen von Mutation, Selektion und Vervielfältigung reichern sich so neue Merkmale, die einen Vorteil unter den vorherrschenden Umweltbedingungen verschaffen, in einer Population von Organismen an. Auch die Züchtung von Pflanzen und Tieren mit nützlichen Eigenschaften ist im Prinzip nichts anderes als eine vom Menschen gelenkte Evolution. "In neuerer Zeit haben Biologen und Chemiker nun begonnen, die Eigenschaften einzelner Moleküle an Stelle ganzer Organismen mit evolutionären Strategien gezielt zu verändern," berichtet Donald Hilvert, Chemiker an der ETH Zürich.

Wie funktioniert die "Evolution im Reagenzglas" und was bringt sie? Hilvert erläutert das an einem Beispiel: Zusammen mit seinen Mitarbeitern Sean Taylor und Peter Kast hat er genetisch veränderte Hefe- und Kolibakterienstämme erzeugt, denen ein wichtiges Enzym fehlt, die so genannte Chorismat-Mutase. Das Enzym katalysiert eine für die Biosynthese aromatischer Aminosäuren essentielle Reaktion. Diese Mikroorganismen sind daher nur lebensfähig, wenn ihnen die fehlenden aromatischen Aminosäuren von außen zugefüttert werden. In die defekten Zellen schleusen die Forscher verschiedene, zufällig mutierte Chorismat-Mutase-Gene ein. In einem Medium, das keine aromatischen Aminosäuren enthält, überleben und vermehren sich dann nur die Zellen, die eine funktionstüchtige Variante erwischt haben. Eine sehr große Zahl an Mutanten lässt sich so parallel auf Funktionstüchtigkeit untersuchen. Auf diese Weise findet man zum Beispiel heraus, welche Strukturelemente des Enzyms empfindlich auf Veränderungen der Sequenz reagieren, oder welche Bausteine des an der Reaktion beteiligten aktiven Zentrums des Enzyms sind. Wichtige Erkenntnisse über die Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion von Enzymen werden so gewonnen.

Erkenntnisgewinn ist aber nicht alles. Evolutionäre Methoden eignen sich auch zum Design neuartigen Enzyme. Hilvert: "Die eigentliche darwinistische Evolution besteht aus vielen Zyklen von Mutation und Selektion. Dieser Prozess kann im Labor nachgeahmt werden, um die Eigenschaften eines Enzyms gezielt für eine praktische Anwendung maßzuschneidern. Beispielsweise kann die Selektivität eines Enzyms verändert werden, so dass es andere Substanzen als Substrat akzeptiert - interessant vor allem für die enzymatische ("grüne") Produktion von Chemikalien, die nicht zum Repertoire des natürlichen Enzyms gehören."

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