Biosynthese nicht-natürlicher Desoxyribonukleotide

• Antragsteller: Dr. Christoph Loderer
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445451075

Nicht-natürliche Desoxyribonukleotide sind eine wichtige Stoffklasse mit Anwendungsmöglichkeiten in verschieden Bereichen von Zellbiologie über synthetische Biologie bis hin zur Medizin. Die chemische Synthese dieser Stoffe ist höchst aufwendig und teuer. Biokatalytische Ansätze existieren lediglich für die Synthese von Ribonukleotiden, nicht jedoch für die der Desoxyribonukleotide. In der Natur katalysieren Ribonukleotidreduktasen (RNR) die Reduktion von Ribonukleotiden zu den zugehörigen Desoxyribonukleotiden, die für die DNS-Synthese und Reparatur benötigt werden. Ziel dieses Projektes ist die Nutzbarmachung von RNR für die Biosynthese von nicht-natürlichen Desoxyribonukleotiden durch die Analyse und Erweiterung der Substratspezifität dieser Enzymklasse.Die Substratspezifität von RNR für ihre natürlichen Substrate ist gut untersucht aber über die Fähigkeit nicht-natürliche Substarte umzusetzen ist sehr wenig bekannt. Daher ist das erste Teilziel des Projektes die Aufklärung des Substratspektrums von RNR mit dem Fokus auf Ribonukleotiden mit strukturell verschiedenen Nukleinbasen. In nächsten Schritt soll Enzym Engineering eingesetzt werden um die Substratspezifität auf wichtige nicht-natürliche Ribonukleotide zu erweitern, die von natürlichen Enzymen nicht umgesetzt werden können.Abhängig von der jeweiligen Anwendung der nicht-natürlichen Desoxyribonukleotide kann deren Phosphorylierungsstufe entscheidend sein (Mono-,Di-, oder Triphosphat). Alle natürlichen RNR zeigen entweder eine Nukleosid-diphosphat- oder Nukleosid-triphosphat-Spezifität. Das Teilziel hier ist die Kontrolle der Phosphatspezifität von RNR um so zwischen Mono-,Di-und Triphosphatspezifität wählen zu können. Dies soll durch Enzym Engineering der Phosphatbindetasche der Enzyme realisiert werden. Die Erzeugung von RNR-Varianten mit veränderter Substratspezifität wird durch eine Strukturanalyse mittels Röntgenkristallographie begleitet. Durch den Vergleich von Wildtyp und modifizierten Enzymen können die strukturellen Veränderungen untersucht werden, welche die gewünschten Effekte auf die Substratspezifität verursacht haben. Dies wird nicht nur unschätzbare Informationen über den Struktur-Funktionszusammenhang in dieser wichtigen Enzymklasse liefern, sondern auch gezielte Enzym Engineering Strategien erlauben.Das Projekt wird sowohl eine Toolbox für RNR für die Biosynthese nicht-natürliche Desoxyribonukleotide liefern als auch aufklären, wie die Substratspezifität durch die Struktur der Enzyme definiert ist. Beides wird den Weg für eine breite Anwendung von RNRs in den verschiedenen Feldern der Biologie und Medizin ebnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweden
• Kooperationspartner: Professor Anders Hofer; Professor Daniel Lundin