Gerichtete Evolution

Als gerichtete Evolution (engl.: directed evolution) bezeichnet man die Optimierung und Veränderung von Proteinen und Enzymen auf evolutionärem Wege in vitro, d.h. mittels einer zufallsbasierten Mutagenese und nachfolgender Identifikation von verbesserten Mutanten. Sie wird vor allem in der weißen Biotechnologie und der Biokatalyse zunehmend angewandt, um die Eignung von Enzymen für industrielle Anwendungen zu verbessern.

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Während beim rationalen Proteindesign, also dem Verändern eines Proteins durch gezielte Einführung von Mutationen in sein Gen, genaue Kenntnis der Struktur des Proteins und seines Wirkungsmechanismus (bei Enzymen der Reaktionsmechanismus) notwendig ist, ist für die gerichtete Evolution lediglich eine Selektion der gesuchten Mutanten erforderlich. Für Eigenschaften von Enzymen wie der Lösemittel- oder der Temperaturstabilität, deren molekulare Ursachen noch nicht ausreichend verstanden sind, ist daher die gerichtete Evolution das Mittel der Wahl. Weitere Anwendungen sind die Änderung der Regioselektivität, Chemoselektivität und Enantioselektivität von Enzymen sowie der Substratsspezifität, insbesondere gegenüber unnatürlichen Substraten.

Die zufallsbasierte Mutagenese wird meist mit PCR-basierten Methoden wie der error-prone-PCR durchgeführt. Daneben gibt es auch rekombinative Methoden, bei denen ein chimäres Gen aus zwei oder mehr verwandten Genen erzeugt wird.

Entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution ist die Identifikation von verbesserten Mutanten des Proteins. Oftmals erbringt die Analyse von erfolgreichen Mutanten überraschende Ergebnisse wie Mutationen, welche die Aktivität des Enzyms entscheidend beeinflussen, obwohl sie sehr weit außerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms liegen. Die gerichtete Evolution trägt so viel zum Verständnis der Wirkungsweise von Enzymen bei.

Zitat: "You only get what you screen for" (F. Arnold). Die richtige Wahl der Fitnessfunktion ist entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution.

Algorithmus

Literatur

• http://www.mpi-muelheim.mpg.de/reetz/ (Web-Seite von Manfred T. Reetz)
• M. T. Reetz, Carballeira J. D.: Iterative saturation mutagenesis (ISM) for rapid directed evolution of functional enzymes. In: Nat Protoc.. 2, Nr. 4, 2007, S. 891-903. doi:10.1038/nprot.2007.72
• Schmid, Rolf D.:Taschenatlas der Biotechnologie und Gentechnolgie, Weinheim: Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-30865-2
• http://www.che.caltech.edu/groups/fha/Enzyme/directed.html (Web-site von F. Arnold)
• Brakmann, Susanne ; Johnsson, Kai: Directed molecular evolution of proteins or how to improve enzymes for biocatalysis, Weinheim : Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-30423-1