Gerichtete Evolution
Definition
Als gerichtete Evolution wird in der Biotechnologie die Optimierung und Modifikation von Proteinen, Nukleinsäuren und Enzymen in vitro bezeichnet. Hierbei werden durch ungerichtete Mutagenese Mutanten generiert und anschließend diejenigen isoliert, die die gewünschten Kriterien erfüllen. Im Gegensatz dazu läuft die natürliche Evolution stets ungerichtet und zufällig ab.
Anwendung
Die Biotechnologie macht sich die ständige Verbesserung und Modifikation von Biokatalysatoren (Enzymen) zu Nutze. Insbesondere die Biokatalyse und die weiße Biotechnologie setzen verstärkt auf die gerichtete Evolution, da eine ständige Verbesserung der Enzyme eine immer effektivere industrielle Nutzung möglich macht. Weitere Anwendungen der gerichteten Evolution sind:
- Änderung der Regioselektivität von Enzymen
- Änderung der Chemoselektivität von Enzymen
- Änderung der Enantioselektivität von Enzymen
- Änderung der Substratspezifität von Enzymen, insbesondere gegenüber unnatürlichen Substraten
- eine gerichtete Evolution von Nukleinsäuren findet vor allem Anwendung im Bereich der Aptamer-Technologie und im Rahmen einer Optimierung von Ribozymen Anwendung
Prinzip
Bei einem gezielten Proteindesign, also der geplanten Veränderung eines Protein-Makromoleküls wird in der Regel eine gezielte Mutation in das Gen des Proteins eingeführt. Hierbei ist eine genaue Kenntnis über die Funktion und Struktur des Proteins notwendig. Bei der gerichteten Evolution ist dies alles nicht der Fall, vielmehr ist hier lediglich eine Selektion der entstehenden Mutanten notwendig. Für bestimmte Eigenschaften der Enzyme, deren molekulare Determination noch nicht geklärt ist, ist die gerichtete Evolution der sinnvollste Weg, Enzyme zu biotechnologischen Zwecken zu perfektionieren.
Durchführung
Eine zufallsbasierte, gerichtete Evolution (bzw. eine zufallsbasierte Mutagenese) wird meist mit biotechnologischen Methoden aus dem Bereich der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) durchgeführt. Hier wäre als wichtiges Beispiel die error-prone-Polymerasekettenreaktion zu nennen. Weitere Methoden zur biotechnologisch einsetzbaren gerichteten Evolution ist das Prinzip des Random chimeragenesis on transient templates – kurz RACHITT. Hierbei handelt es sich nicht um eine PCR, sondern um eine rekombinative Methode, bei der ein chimäres Gen aus zwei oder mehreren verwandten Genen erzeugt wird.
Der entscheidende Faktor für den Erfolg einer gerichteten Evolution ist die spätere Identifikation und Selektion von verbesserten und brauchbaren Mutationsformen des Ursprungsproteins. Im Rahmen der Analyse von erfolgreichen Mutanten kommt es mitunter zu sehr überraschenden Ergebnissen. So werden regelmäßig Mutationen weit außerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms identifiziert, die trotz ihrer peripheren Lage großen Einfluss auf die Aktivität des Enzyms haben.