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05.11.2017

BIOMOD 2017: Gold ausgezeichnetes MultiBrane Team zurück aus San Francisco!

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Unser interdisziplinäres studentisches Team MultiBrane aus der Veranstaltung “iGEM Synthetische Biologie” 2017 gehört zu den Hauptgewinnern des diesjährigen BIOMOD Wettbewerbs. Das Forschungsziel war es, eine multifunktionale Membran für die Aufreinigung von belastetem Wasser herzustellen; mit dem besonderen Fokus auf Mikroplastikabbau. Die sehr überzeugenden Projektergebnisse erfreuten sich einer großen Beachtung in San Francisco, wo das BIOMOD Jamboree an der UCSF Universität stattfand. Besonders in drei Kategorien überzeugten die MultiBranes die internationale Jury und erhielt eine Goldmedaille für ihre Projektarbeit:

  • Platz 3 im Hauptpreis für das Gesamtergebnis
  • Platz 3 für die beste Projektwebseite
  • Platz 3 für das beste Projektvideo

An dieser Stelle möchten wir unseren herzlichen Dank an Saba Nojoumi und Franz-Josef Schmitt richten sowohl für ihre intensive Betreuung als auch für ihre Unterstützung des Projekts. Wir danken auch Hannah Aring und Nikolaj Koch für ihren tatkräftigen Einsatz im Rahmen der tu projects. Damit gratulieren wir an dieser Stelle nochmals und wünschen dem gesamten Team alles Gute und freuen uns auf die folgenden spannenden BIOMOD und iGEM Projekte in der Zukunft.
Die Ergebnisse des Projekts sind auf der BIOMOD Teamwebseite einsehbar.

01.08.2017

Auf dem Weg zu biologischem Unterwasser-Superleim

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Regenerative Medizin benötigt dringend biokompatible Klebstoffe, die für die therapeutische Anwendung bei der Behandlung von kleinen Knochenbrüchen geeignet sind. Ein solcher Klebstoff sollte eine schnelle Verbindung der Knochenfragmente ermöglichen, ohne der Notwendigkeit Platten und Schrauben anzubringen. Die Verwendung von biologischem Leim aus marinen Muscheln (sogenannte Muschel-adhäsive Proteine, MAPs) - als potentielleumweltfreundliche bio-inspirierte Klebstoffe - könnte eine Lösung für dieses Problem darstellen. In der Natur scheidet eine Miesmuschel adhäsive Proteine ab und klebt effizient auf Stein und anderen anorganischen Oberflächen und sogar auf künstlich hergestellten Metall-Objekten und Kunststoffen (z. B. Teflon). Das Geheimnis dieser Bio-Leime ist die Anwesenheit von Catechol-Gruppen in der Seitenkette der nicht-proteinogenen Aminosäure L-Dopa (L-3,4-Dihydroxyphenylalanin), die posttranslational durch Tyrosin-Hydroxylierung erzeugt und zur Oberflächenhaftung fähig ist.

Jedoch ist die Isolierung dieser Bio-Leime aus natürlichen Quellen teuer, ineffizient und es ist nicht möglich, große Mengen eines homogenen Produktes durch Nachahmung von posttranslationalen Modifizierungsmaschinerien herzustellen. Auf der anderen Seite sind aktuelle synthetisch–chemische oder biotechnologische Synthesewege auch nicht effizient. Aus diesem Grund haben wir uns als Ziel gesetzt, dieses Problem mittels Anwendung einer orthogonalen Translation zu lösen, indem wir ein neues Konzept entwickeln, um DOPA-reiche Unterwasser-Klebstoffproteine aus marinen Muscheln durch Expansion des genetischen Codes herzustellen.

Durch die Verwendung von Computerdesign und genetischen Selektionsmethoden wurde ein neuartiges Methanocaldococcus jannaschii tyrosyl-tRNA-Synthetase-basiertes Enzym entwickelt. Es aktiviert das photocaged DOPA-Derivat ortho-Nitrobenzyl-Dopa (ONB-DOPA) für den Einbau in Proteine mittels orthogonaler Translation als Reaktion auf Amber-Stopcodons. Auf diese Weise sind Muschelproteine mit ONB-DOPA an mehreren Stellen ausgestattet, was eine räumlich-zeitliche Kontrolle über ihre adhäsiven Eigenschaften einführt. Die Exposition gegenüber UV-Licht löst die Spaltung der ONB-Photocages aus und befreit die adhäsive Katecholseitenkette von DOPA. Diese Strategie bietet neue Wege zur Herstellung von DOPA-basierten Nassklebstoffen für die Anwendung in Industrie und Biomedizin mit dem Potential, Knochenchirurgie und Wundheilung zu revolutionieren.  

 Superklebstoff aus Darmbakterien

Link zur Originalpublikation

Öffentliche Resonanz in Deutschland:

Berliner Zeitung

MDR

BioÖkonomie.de

Ärztezeitung

Ingenieur.de

Zm-Online

Wired

 

 

17.07.2017

Synthetic alienation of microbes - "thawing" of the "frozen" code

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Man nimmt an, dass der genetische Code eine Evolution durchlief, die beginnend bei einem zweideutigen Code hin zu einem spezifischen definierten 'eingefrorenen' Code führte. Dieser spezifische Code ist der uns heute bekannte. Während dieser Evolution entwickelte sich die Proteintranslation von einer zunächst mit wenigen Aminosäuren operierenden und statistische Proteine hervorbringenden, zu einer hochgenauen Übersetzungsmaschinerie, die in der Lage ist, basierend auf den 20 kanonischen Aminosäuren, sehr spezifische Proteine herzustellen. Da der genetische Code in vielerlei Hinsicht annähernd ideal optimiert ist (z. B. bei der Fehlerminimierung, Proteinfaltung und metabolische Integration) lautet die grundsätzliche Frage, welche Barrieren beim Versuch, diesen experimentell zu verändern überwunden werden müssen.

In unserem Essay der im Biotechnology Journal veröffentlicht wurde (Link), haben wir versucht, einer Antwort darauf zu geben und dabei "Eintrittspunkte" für den Einbau von nicht kanonische Aminosäuren während des Ribosom-Proteinsynthesezyklus, wie oben gezeigt, definiert:

Thaw what is frozen

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Darüber hinaus hat Dr. Uta Goebel, stellvertretende Redakteurin des Biotechnology Journal, einen kurzen Artikel auf der Advanced Science Website veröffentlicht, der sich mit diesem Thema beschäftigt (link).  

Das Genetische Code-Engineering ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Gestaltung von vollsynthetischen Zellen, bei dem der natürliche Fluss der genetischen Information (DNA → RNA → Proteine) umgeleitet oder neu organisiert wird. Bedingt durch diese Neuanordung entsteht ein "Biocontainment" im Zusammenhang mit der "genetischen Firewall" (d.h. genetische Isolation der 'alten' biologische Welt).

Da der genetische Code jedoch ein grundlegendes Niveau der biologischen Komplexität darstellt (annähernd unverändert in den letzten vier Milliarden Jahren), würde jegliche Veränderungen in seinem Aminosäure-Repertoire (Substitutionen, Reduktionen oder Erweiterungen) eine Änderungen in dessen Mechanismen, die seine Konservierung ("Einfrierung") bedingt hat, erfordern. Solche Experimente erfordern die Schaffung einer künstlichen Mehrdeutigkeit, mit dessen Hilfe man wiederum in der Lage sein sollte, eine neue nicht kanonische Aminosäure zum Repertoire hinzuzufügen. 

23.12.2016

Reprograminerte Proteintranslation mit Trifluorethylglycin: Die Natur liest auch synthetischen Aminosäuren Korrektur!

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Die einzigartigen chemischen Eigenschaften fluorierter Aminosäuren können die Synthese- oder Korrekturlesenswege von Aminoacyl-tRNA-Synthetasen (AARS) wesentlich beeinflussen und einen Beitrag zur Proteinqualitätskontrolle leisten. Eine Diskriminierung (d.h. ein Korrekturlesen) von AARS gegenüber künstlichen Aminosäuren, wie z.B. Trifluorethylglycin, ist bei einer reprogrammierten Proteinbiosynthese höchst unwahrscheinlich, da diese Enzyme während der Evolution, zu keinem Zeitpunkt mit diesen Aminosäuren in Kontakt gekommen sind.

Link

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Die Ausweitung des Anwendungsbereichs der ribosomale Proteinsynthese: Nomenklatur des erweiterten Aminosäurerepertoires (kAS + nkAS).
Fluor, welches in der Chemie der Lebewesen nicht wesentlich vorhanden ist, ist ein attraktives Element bei dem Design neuer chemischer, biophysikalischer und pharmakokinetischer Eigenschaften von Peptiden und Proteinen.

 

19.12.2016

Vom Knoblauch zum genetischen Code Engineering: Orthogonale, ribosomale Proteinsynthese mit S-Allylcystein

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Design der in situ Produktion von S-Allylcystein und deren Inkorporation basierend auf einer neuen Pyrrolysyl-tRNA Synthetase-Variante.

Die chemische Synthese ist nach wie vor die Hauptquelle von nkAS für ribosomale, orthogonale Proteintranslation. Diese Faktoren (d.h. Marktverfügbarkeit, Preis und Reinheit) stellen ernsthafte Engpässe für die breitere Anwendung der nkAS in der industriellen Biotechnologie dar. Daher benötigen wir nkAS (ausgestattet mit den gewünschten chemischen Funktionalitäten) für verschiedene nützliche Anwendungen, die man intrazellulär aus preiswerten chemischen Vorläufern herstellen kann (im Idealfall durch Zugabe von preiswerten Vorstufen in das benötigte Wachstumsmedium). Hier erläutern wir diese Möglichkeiten mit unserer neu entwickelten PylRS Variante, die fähig ist nkAS S-Allylcystein (Sac) zu aktivieren. Sac wurde zu diesem Zweck in situ aus dem preiswerten Vorläufer Allylmercaptan unter Verwendung der natürlichen Cysteinbiosynthese hergestellt. Dieser künstliche, metabolische Biosyntheseproduktionsweg von Sac verringert die Kosten der Proteinproduktion erheblich, was potentiell industrielle Anwendungen möglich macht.

Link

 

 

14.08.2015

20899 TGG -Codons werden als Thienylpyrrol ausgelesen

Die größte strukturell störende Abweichung die bis dato ins Leben eingeführt wurde!

Endlich haben unsere Evolutionsexperimente -  nach 506 Tagen kontinuierlicher manueller Züchtung - lebensfähige Zellen mit einen nicht kanonischen Code hervorgebracht. Diese Ergebnisse wurden bereits erfolgreich publiziert! Die experimentelle Evolution bzw. Adaption wurde von uns in einem sogenannten langzeit kultivierungs Experiment des Bakteriums Escherichia coli erzielt. Mittels dieser Vorgehensweise ist es uns gelungen einen vollständigen Austausch des endogenen Bausteins Tryptophan (20899 TGG-Codons) durch einen exogenen synthetischen Analoga (Thienylpyrrol) durchzuführen. 

Das Feedback von unseren Kollegen, auf unsere gemachten Fortschritte ist durchweg positv (Mike Jewett: "Sehr bedeutenden Fortschritt" ; Gyorgy Posfai: "Es ist ein bedeutender Fortschritt in der Tat." ), Während der Pionier der Xenobiologie Philippe Marliere kommentierte : "Ich glaube, es ist so weit die strukturell störendste Abweichung die in Leben eingeführt wurde. "

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Original Literatur auf Deutsch: Hier.

Original Literatur auf Englisch: Hier.

Wichtig: Die chemische Zusammensetzung und der genetische Code eines auxotrophen E. Coli wurden im Rahmen eines langzeit Evolutionsexperiment verändert. Während des Experiments wurden die Zellen nach und nach gezwungen, den natürlichen kanonischen Baustein Tryptophan durch den nicht kanonischen Baustein Thienopyrrolylalanin in ihrem Proteome zu ersetzen. Dies ist der erste Schritt auf dem Weg zur Erzeugung von synthetischen Leben, welches allerdings genetisch und metabolisch sehr weit entfernt vom natürlichen Leben ist, sodass es außerhalb des Labors nicht überlebensfähig ist.

Bericht auf der UniCat Cluster of Excellence Web-Seite:

Englisch: Hier.

Deutsch: Hier.

15.02.2015

Die Vision von der genetischen Firewall und dem Synthetischem Leben.

Nediljko Budisa spricht über die genetische Isolation, die durch das Einsetzen neuer Chemie im Protoplasma lebender Zellen erreicht werden kann.
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Ned sprach in seinem Vortrag während des zweiten Bio-Fiction Science Art Film Festivals (23. – 25. Oktober 2014; Naturhistorisches Museum Wien, Österreich) über biocontainment (trophische Eindämmung), die genetische Firewall, seiner Vision von synthetischem Leben und künstlicher biologischer Vielfalt. Der Vortrag fasst die Ideen und Visionen, die Ned in den letzten 10 Jahren entwickelt hat, zusammen, die erstmals  im Jahr 2011 gemeinsam mit Carlos Acevedo-Rocha in Angew.Chem. und kürzlich erneut in Curr.Org.Chem publiziert wurden. Der filmische Mitschnitt wurde Anfang diesen Jahres von Markus Schmidt und seinem Team Online zur Verfügung gestellt (Video).

Ned ist fest davon überzeugt, dass das Forschungsfeld „Genetic Code Engineering“ eine intelektuelle Reife mit klar definierten Konzepten und Rahmenbedingungen für zukünftige Experimente erreicht hat. Die in „Nature“ kürzlich veröffentlichten Paper von Church (link) und Isaacs (link) über trophische Eindämmung durch Umwidmung mehrerer Amberstop-Codons haben seine Vorhersagen und Erwartungen erfüllt. In der nächsten Phase wird sich das ganze Forschungsfeld schrittweise in Richtung der Sinn-Codon-Umwidmung, des zuverlässigsten Wegs zur Änderung und Erweiterung des genetischen Codes, bewegen (link).

 

 

01.12.2014

Berlin Golden iGEM-Team

iGEM Goldmedallie 2014
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iGEM 2014: Goldmedaille für erstes und einziges Berliner Team beim weltgrößten Wettbewerb für Synthetische Biologie.

iGEM Synthetic Biology Homepage

iGEM Team Berlin Homepage

TU-Berlin Homepage

 

 

28.08.2014

'Xenobiology meets Astrobiology'

Durch die Zusammenarbeit mit Dirk Schulze-Makuch waren wir kürzlich in der Lage, zwei ‘paper’ über die möglichen biochemischen alternativen für ‘terrestrial’ life chemistry zu veröffentlichen. In der ersten Veröffentlichung wurde die Möglichkeit für nicht-biologische Biochemie, in diesen extremen Bedingungen, wie ‘supercritical carbon dioxid’, untersucht (link). Kurzlich gemachte Beobachtungen legen nahe, das verschiedene Bakterien-Spezies diese Bedingungen tolerieren (bzw. überleben) können. Überraschenderweise hat diese Veröffentlichung auch das Interesse des öffentlichkeit eregt, wie die Artikel u.a. in Wikipedia beweisen.

Für weitere Informationen:

“Can life emerge on a planet without water? New theory says yes”

“New Theory Suggests Life Can Emerge On Planets without Water”

“Alien Life Could Thrive on 'Supercritical' Carbon Dioxide Instead of Water”

“Philae Probe Latest News: Finds 'Life-Making' Organic Molecules on Comet 67P”

 

Die zweite Veröffentlichung, die überraschenderweise weniger Aufmerksamkeit erzielte, obwohl es sich unsere Meinung nach, um die 'exotischere' Veröffentlichung von beiden handelt (link), versucht in einem leicht verständlichem, informativen Essay die Grundlagen über ein hypothetisches, fluorbasiertes Leben,für ein nicht spezialisierte Leserschaft, wiederzugeben.

 

 

03.03.2014

Wettbewerb Jugend Forscht

Katrina Ying Ma und ihre „Roro Jungs”
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Ein, von unserem Labor gefördertes, Schülerprojekt zum Thema synthetische Biologie gewann den ersten Preis beim „Jugend forscht“ Wettbewerb.
Am Mittwoch, dem 12. Februar 2014 wurden die besten Forschungsprojekte der Jungforscher im Wettbewerb „Jugend forscht“ gekürt. Das Projekt mit dem Titel  "Herstellung von synthetischen Proteinen aus modifizierten Bakterien " wurde von unserer Mitarbeiterin Katrina Ying Ma betreut und erhielt den ersten Preis in einem der drei Berliner Wettbewerbszentren. Die drei jungen Wissenschaftler  Jonathan Sonntag, Christian Smettan und Nico Stiehl besuchen die 11. Klasse des Romain-Rolland-Gymnasiums in Berlin-Reinickendorf („Roro Jungs“) und experimentierten viele Stunden an dem Einbau von nicht-kanonischen Aminosäuren in Proteine in unserem Labor. Ihr Projekt wurde in der Kategorie „Biologie“ eingereicht und wurde vom dem Wettbewerbszentrum Berlin-Süd mit dem ersten Preis ausgezeichnet.
Der Erfolg dieses Projekts war nur durch die gute Zusammenarbeit zwischen BIG-NSE, der Arbeitsgruppe Biokatalyse und der engagierten Lehrerin des Romain-Rolland-Gymnasiums, Dr. Angela Köhler-Krützfeldt, möglich.
Wie auf der BIG-NSE-Webseite berichtet (http://www.big-nse.tu-berlin.de), wird das Projekt in den kommenden Wochen weiterentwickelt, bevor Katrina Ying Ma und ihr Team es erneut Ende März für den berlinweiten Wettbewerb einreichen. Die Gewinner dieser Runde erhalten die Möglichkeit am bundesweiten Wettbewerb teilzunehmen. Wir wünschen Katrina und ihren jungen Wissenschaftlern viel Erfolg für den weiteren Verlauf des Wettbewerbs.

 

 

04.02.2014

Dritter Teil der Reihe „Synthetische Biologie im Dialog“ in Marburg, Deutschland

Nediljko Budisa diskutierte in Marburg die sozialen Auswirkungen seiner Forschung und die der synthetischen Biologie (link).

Für Philosoph, Prof Köchy seien Fachwissenschaftler in aktuellen Diskussionen eben keine objektiven Experten, sondern brächten immer auch ihr Weltbild ins Spiel, meinte Köchy. Bei Budisa zum Beispiel sei klar ein chemisches Konzept von Lebewesen erkennbar, es fänden sich aber auch metaphysische Elemente.

Zusammenfassung von Ned‘s Diskussion: Entscheidend für „Leben“ sei jedoch nicht die Materie selbst, erklärte Budisa, sondern die Art und Weise, wie diese Stoffe organisiert seien. Diese Organisationsform sei durch das genetische Programm definiert, und dessen Sprache, den genetischen Code, verstünden alle Organismen. „Es ist vielleicht die einzige Sprache, die nicht durch Kultur verseucht ist“, so der Biochemiker. Er glaubt dass ein veränderter genetischer Code bei synthetischen Organismen auch als eine Art genetische Firewall dienen kann, die verhindere, dass synthetische und natürliche Organismen Erbmaterial austauschten. Auf diese Weise könne eine künstliche biologische Vielfalt entstehen, eventuell sogar eine Parallelwelt unter Nutzung bisher ungenutzter Stoffe … Dass das einer genetischen Firewall gleichkomme und damit eventuell auch zur Etablierung einer parallelen biologischen Welt führe, sei ihm erst im nachhinein klargeworden.

 

 

26.09.2013

Broken Bones, Healed Wounds and Engineering of the Genetic Code

Nediljko Budisa erklärt warum wir den gentischen Code erweitern bzw. verändern wollen und wie „genetic code engineering“ uns dabei helfen kann, biologisch-basierte Biomaterialien herzustellen, die sich z.B. bei kleinen Knochenbrüchen oder bei der Schließung von Wunden als hilfreich erweisen könnten.

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Siehe Link:

http://www.youtube.com/watch?v=6qS6a3A4q0g

Webcast des Vortrags mit dem Titel 'Towards the genetic code with a maximum degree of chemical liberty' von Nediljko Budisa (Technische Universität Berlin), gehalten beim Treffen der Biochemical Society / Protein Society mit dem Thema „Protein engineering: new approaches and applications“, gehalten im April 2013 (veröfentlicht am  09.08.2013).


08.11.2012

Tabula Peutingeriana of Synthetic Biology

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PloSONE published an article entitled "Synthetic Biology: Mapping the Scientific Landscape" (April 2012, Volume 7, Issue 4, e34368) to inform the general audience about the state of the art in the field, including the most important teams, institutions and players. We present here a map that shows the network of authors with five or more publications on synthetic biology in Web of Science.

 

 

30.10.2012

What is life?

For all those rather interested in general than in particular, Nediljko Budisa wrote an article/book chapter entitled A BRIEF HISTORY OF "LIFE-SYNTHESIS" [German title: Eine kurze Geschichte der „Lebensherstellung”] for Book WAS IST LEBEN? [WHAT IS LIFE] of Nova Acta Leopoldina Series [Bd. 116, Nr. 394 (2012), Vorträge anlässlich der Jahresversammlung vom 23. bis 25. September 2011 zu Halle (Saale)].

The article published on pages 99-118 of the above mentioned book is available from us as PDF file and contains following chapters:

What is life? - The notion of life in social and natural sciences

A culture-free or value-free definition of life?

Why suddenly ‘life synthesis’?

Biology as science of synthesis

Modern history of the “synthesis of life”

Spontaneous generation of life

Emancipation of synthetic biology by “life synthesis”

Notion of the living cell as a factory or a machine with a genetic program

Cell as self-reproducing fluid state automata

Darwinian evolution as a by-product of the chemical properties of complex self-organized systems?

A step toward a parallel biological world?

Basic attributes of life / living organisms in the light of the evolutionary history and the fundamental notions of individual vs. population. Organisms can be considered as individual autonomy units and as parts of the population that participate in the
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30.03.2011

Faculty of 1000: our article has been evaluated

Hoesl, M.G., Budisa, N. (2011). Expanding and Engineering the Genetic Code in a Single Expression Experiment. ChemBioChem. 12, 552-555.


I was really impressed by the paper as this study shows that the two unique methods of protein engineering with noncanonical amino acids can be quite easily combined in one single in vivo expression experiment. Nowadays, the reassignment of sense codons allows the global substitution of natural amino acids by noncanonical analogues resulting in proteins that are modified at multiple positions to alter overall protein properties. Additionally, it is possible to use orthogonal aminoacyl-tRNA synthetase pairs to co-translationally incorporate noncanonical amino acids site-specifically in response to stop codons. Budisa and Hoesl used the above mentioned supplementation-based incorporation method (SPI) along with this stop codon suppression strategy (SCS) to express modified model proteins. Aside from the global substitution of natural proline and methionine by 4S-fluoroproline and norleucine, respectively, they site-specifically introduced the aromatic photo-crosslinking amino acid p-benzoyl-phenylalanine. Although this strategy needs to be further optimized, the combination of SPI and SCS in one single experiment represents a very promising and straightforward method to combine different beneficial features of noncanonical amino acids at multiple positions and site-specifically in one single protein (Prof. Andreas Marx, University of Konstanz).

http://f1000.com/9303956

25.06.2010

In Vivo Double and Triple Labeling of Proteins Using Synthetic Amino Acids

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24.04.2009

The oxidation of Met-residues sets off a fatal structural change in the human prion protein

Figure 1. Oxidation of methionine residues and conformation of the prion protein.
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In spite of the huge amount of literature on prion proteins available to date little is known about the initial event leading to its misfolding. The moderately hydrophobic canonical amino acid methionine usually stabilizes α-helices in proteins. However its oxidized form, methionine-sulfoxide is hydrophilic and has a higher preference for β-sheets. If the oxidative stress within the cell is sufficiently high to oxidize certain methionine side chains within the prion protein, at least one portion of protein´s α-helices is converted into β-sheet structures.

Figure 2. Chemical model to study the nature of ?-helix to ?-sheet conversion in prion protein structure
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By expanding the genetic code of the AUG triplet with extremely hydrophobic norleucine and extermely hydrophilic metoxinine it is possible to arrest physiologically and pathologically relevant conformational states of the prion protein. In this way we have a kind of Yin and Yang states reflecting two extreme conditions: One prion that mimics the stable, reduced form and one in which all methionine side chains are oxidized. The norleucine variant resulted in an α-helix richt protein that lacks the in vitro aggregation of the parent protein. In contrast, the methoxinine variant resulted in a β-sheet rich protein with strong aggregation tendency.
These extreme conformational states are usually not amenable in animal models nor with peptide fragments. This experimental approach might be highly relevant to study neurodegenerative as well as other aging-related diseases (i. e. Alzheimer and Parkinson).



Wolschner, C., Giese, A., Kretzschmar, H., Huber, R., Moroder, L. and Budisa, N. (2009). Design of anti- and pro-aggregation variants to assess the effects of methionine oxidation in human prion protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Early Edition (April 2009), DOI: 10.1073/PNAS.0902688106.


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15.10.2008

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Our long-term goal is the in vivo expression of intrinsically colored proteins without the need for further posttranslational modification or chemical functionalization by externally added reagents. Biocompatible azaindoles/azatryptophans as optical probes represent almost ideal isosteric substitues for natural tryptophan in cellular proteins. To overcome the limits of the traditionally used 7-azaindole/7-azatryptophan, we have substituted the single tryptophan residue in human annexin A5 by 4- and 5-azatryptophan in Trp-auxotropic Escherichia coli cells. Both cells and proteins with these fluorophores possess intrinsic blue fluorescence detectable upon routine UV irradiations. We identified 4-azaindole as a superior optical probe due to its pronounced Stokes-shift of ~130 nm, its significantly higher quantum yield in aqueous buffers and its enhanced quencingresistance. 4-Azaindoles´s intracellular metabolic transformation into 4-azatryptophan coupled with high yield incorporation into proteins is the most straightforward method for the conversion of naturally colorless proteins and cells into their blue counterparts from amino acid precursors.



Lephtien, S., Hoesl, M. G., Merkel, L. and Budisa, N. (2008). Azatryptophans endow proteins with intrinsic blue fluorescence. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.[epub ahead of print].



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