SPP 1170:  Directed Evolution to Optimize and Understand Molecular Biocatalysts

• Fachliche Zuordnung: Biologie
• Förderung: Förderung von 2004 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5472117

Alle zellulären Reaktionen werden von Proteinen (Enzymen) oder Ribonukleinsäuren (Ribozymen) katalysiert. Man kann Lebensprozesse deshalb nur verstehen, wenn man versteht, wie diese Biokatalysatoren funktionieren und durch welche molekularen Wechselwirkungen sie stabilisiert werden. Dieses Schwerpunktprogramm versucht, mit dem neuen Ansatz der "gelenkten Evolution molekulare Biokatalysatoren mit neuen Eigenschaften herzustellen und zu analysieren. Dadurch können wichtige Einblicke in den Zusammenhang zwischen Sequenz, Struktur und Funktion von Enzymen und Ribozymen gewonnen und ihre natürliche Evolution besser verstanden werden. Darüber hinaus lassen sich durch gerichtete Evolution Biokatalysatoren mit maßgeschneiderten Eigenschaften für den Einsatz in industriellen Synthesen herstellen.
Gerichtete Evolution imitiert Millionen von Jahren natürlicher Evolution auf der Zeitskala von Laborexperimenten und erlaubt es dabei, Biokatalysatoren in einer neuartigen Weise zu manipulieren. Zunächst werden durch Zufallsmutagenese umfangreiche Genbanken hergestellt, aus denen man dann mittels ausgefeilter Screening- und Selektionsverfahren Enzyme und Ribozyme mit neuartigen Eigenschaften isoliert. Diese werden anschließend mit modernen Methoden der Protein- und Nukleinsäurechemie, der Enzymologie, der Strukturbiologie und der theoretischen Chemie im Detail charakterisiert. Im Gegensatz zum traditionellen "rationalen Design" erfordert gerichtete Evolution kein "a priori"-Wissen über die Struktur oder den Mechanismus eines Biokatalysators und ist zudem sehr instruktiv, da sie oft unerwartete Lösungen jenseits der Ausgangshypothese liefert.
Konkret soll das Schwerpunktprogramm Antworten auf folgende Fragen geben:
-- Wo liegen die Möglichkeiten und Grenzen für die Optimierung von Enzymen und Ribozymen?
-- Existieren gemeinsame Prinzipien in der Katalyse durch Enzyme und Ribozyme?
-- Welches Maß an konformationeller Flexibilität und Stabilität ist für eine optimale Katalyse erforderlich?
-- Worin liegt die strukturelle Grundlage der Substrat- und Stereo-Selektivität von Biokatalysatoren begründet?

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme

Projekte

• A general approach for in vivo ultra-high-throughput screening of engineered hydrolases (Antragsteller Kolmar, Harald )
• Active site recruitment in an ancestral, bifunctional ProFAR/PRA isomerase (Antragsteller Wilmanns, Ph.D., Matthias )
• Computational insights into directed evolution of substrate specificity and structure based combinatorial library design (Antragsteller Bocola, Marco )
• Coordination of the SPP 1170 (Antragsteller Sterner, Reinhard )
• Directed Evolution as a Means to Optimize and Understand Molecular Biocatalysts (Antragsteller Reetz, Manfred T. )
• Directed evolution of DNA methyltransferases (Antragsteller Jeltsch, Albert )
• Directed evolution of limonene epoxide hydrolase to engineer its substrate- and enantioselectivity (Antragsteller Arand, Michael )
• Directed Evolution of the Dnak/ClpB chaperone system - towards substrate specific optimization and complementation with orthologous systems (Antragsteller Reinstein, Joachim )
• Directed evolution of the S1 subsite specificity of trypsin (Antragsteller Bordusa, Frank ;  Stubbs, Milton T. )
• Directed evolution of transaldolases for novel specificities (Antragsteller Fessner, Wolf-Dieter ;  Sprenger, Georg )
• Directed evolution of transaldolases for novel specificities (Antragsteller Sprenger, Georg )
• Directed evolution to understand enzyme function of almost protein independent bacterial RNase P RNA versus largely protein-dependent archaeal RNase P RNA (Antragsteller Hartmann, Roland K. )
• (Focused) Directed Evolution to Unterstand Relationships in alpha/beta-Hydrolase-Fold Enzymes (Antragsteller Bornscheuer, Uwe T. )
• Generation of error-prone polymerase variants using directed evolution: Molecular basis of replication fidelity (Antragstellerin Brakmann, Susanne )
• Generation of homing endonucleases of pre-defined specificity by directed evolution (Antragsteller Wende, Wolfgang )
• How general are the determinants of stability and activity? An evolutionary study with perturbed beta-lactamases (Antragsteller Müller, Kristian )
• Improving the catalytic activity of a thermostable anthranilate phosphoribosyl transferase by directed evolution (Antragsteller Seidel, Claus ;  Sterner, Reinhard )
• Improving the catalytic activity of a thermostable anthranilate phosphoribosyl transferase by directed evolution (Antragsteller Seidel, Claus )
• In vitro recapitulation of the evolution of tRNA nucleotidyltransferases (CCA-adding enzymes) (Antragsteller Mörl, Mario )
• In vitro selection of enzymes by mRNA-Display (Antragsteller Famulok, Michael )
• In vitro selection of thermostable ribozymes (Antragsteller Jäschke, Andres )
• Lipase function and folding analyzed by in vivo high throughput screening of combinatorial enzyme libraries (Antragsteller Jaeger, Karl Erich ;  Kolmar, Harald )
• Origins of differential response to DNA lesions by DNA polymerases: Insights throuth directed enzyme evolution (Antragsteller Marx, Andreas )
• Sequence diversity and antibiotic resistance - a molecular model of short- and long-range effects of mutations in serine lactamases (Antragsteller Pleiss, Jürgen )
• Stabilization of enzymes by Proside (Antragsteller Schmid, Franz-Xaver )
• The interplay between specificity and stability in lactamases: molecular modeling of flexibility and dynamics (Antragsteller Pleiss, Jürgen )
• Understanding mediated/direct electron transfer and solvent resistance by iterative cycles of directed monooxygenase evolution and refinement of computational models (Antragsteller Schwaneberg, Ph.D., Ulrich )

• Sprecher: Professor Dr. Reinhard Sterner