Generierung von Enzymen mit maßgeschneideter Aktivität, Stabilität und Quartärstruktur
Die Erzeugung von Enzymen mit einer gewünschten Kombination aus Struktur, Aktivität und Stabilität ist das zentrale Ziel des Protein-Engineering.
Um dieses Ziel zu erreichen, nutzen wir sowohl die gerichtete Evolution (die Kombination von Zufallsmutagenese und Selektion oder Screening) als auch das rationale Design (die Einführung spezifischer Aminosäureaustausche auf der Grundlage struktureller oder mechanistischer Überlegungen).
Durch gerichtete Evolution konnten wir beispielsweise die geringe katalytische Aktivität eines dimeren Stoffwechselenzyms deutlich erhöhen, während wir durch rationales Design eine voll aktive monomere Variante dieses Enzyms erzeugen konnten.
Auf der Grundlage dieser Errungenschaften führten wir ein ausgeklügeltes computergestütztes rationales Design durch, um die Interaktionsspezifitäten zwischen den Proteinuntereinheiten verschiedener Enzymkomplexe zu verändern.
Lichtsteuerung von Enzymen
Die gezielte Steuerung der Aktivität von Enzymen durch Licht ist ein schnell wachsendes Gebiet des Proteindesigns und der synthetischen Biologie.
Ein solcher Ansatz, der in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Burkhard König (Organische Chemie, Universität Regensburg) verfolgt wird, basiert auf der Verwendung von photoschaltbaren kleinen Molekülen, die als kompetitive Enzyminhibitoren wirken. Die Konformation dieser Photoschalter wird durch Bestrahlung verändert, was zu einer unterschiedlichen Affinität für das aktive Zentrum führt und es uns somit ermöglicht, die katalytische Aktivität durch Licht fein abzustimmen.
Darüber hinaus haben wir photosensitive unnatürliche Aminosäuren verwendet, um die Enantioselektivität eines Enzyms durch Licht zu regulieren.
Schliesslich konnten wir mittels photoschaltbarer unnatürlicher Aminosäuren die Ausbreitung eines allosterischen Signals innerhalb eines hetero-dimeren Enzymkomplexes durch Licht reversibel steuern.