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TU Berlin

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Warum wollen wir den genetischen Code verändern und erweitern?

Alle gegenwärtig auf unserem Planeten existierenden Lebewesen verwenden das gleiche Repertoire von 20 Aminosäuren zum Aufbau ihrer Proteine (und das ist auch für alle ausgestorbenen Lebensformen anzunehmen), welches durch den universellen genetischen Code festgelegt ist. Dieses Repertoire umfasst jedoch viele chemische Diversifikationen nicht, die man in maturierten Proteinen (z.B. von vielzelligen Tieren und Pflanzen) findet und die für zahlreiche anspruchsvolle chemische und biologische Prozesse erforderlich sind. Es gibt folglich nur verhältnismäßig wenige Proteine die unmittelbar nach der Translation der mRNA ihre endgültige kovalente Struktur besitzen. Daher ist die Freisetzung des fertigen Polypeptids durch das Ribosom nur selten der letzte Schritt in der Proteinbiogenese.

Die Mehrheit der Proteine wird also chemisch prozessiert, was sowohl ko-, als auch posttranslational geschieht, um zur aktiven Konformation zu gelangen. Diese Prozessierungen sind oft kontextabhängig und umfassen enzymatische Spaltungen, posttranslationale Modifikationen und Recodierungen von Aminosöuren.

Die Evolution hat zwei Strategien hervorgebracht, die Anzahl der zur Verfügung stehenden Seitenketten  zu vergrößern: 1. Ein kleiner Teil von Proteinen wird kotranslational mit speziellen, proteinogenen Aminosäuren wie Selenocystein (Sec) oder Pyrrolysin (Pyl) ausgestattet indem Stopcodons eine neue Bedeutung erhalten (codon reassignment). 2. Die Hauptquelle zusätzlicher Seitenketten ist jedoch die posttranslationale chemische Modifikation (PTM). Hierzu zählen all die bekannten Regulations- und Lokalisierungssignale (also z.B. Phosphorylierungen und Glykosylierungen), sowie viele weitere kovalente Seitenkettenmodifikationen. Sie sind enzymkatalysiert und erfolgen zeitlich und räumlich hochkoordiniert. Derartig modifizierte Proteine sind also in heterologer Expression nicht verfügbar oder inhomogen. Das PTM-System ist streng von der direkten genetischen Kontrolle getrennt; man denke etwa an Phosphoserin, welches häufig in Proteinen anzutreffen ist, jedoch nicht an der Translation teilnimmt, im Gegensatz zu seinem kanonischen Korrelat (Serin).

Die PTM-Maschinerie ist hochkompliziert und lässt sich experimentell nicht nachempfinden, schon gar nicht, um größere Mengen modifizierter Proteine, die in definierter Weise beispielsweise mit Phosphatgruppen ausgestattet sind, zu erhalten. Wir versuchen daher die zellulären Prozesse der Proteinsynthese nach unseren Wünschen zu verändern, d.h. die Translation (bzw. die Inkorporation) wünschenswerter nichtkanonischer Aminosäuren (ncAA = non canonical amino acids) zu ermöglichen. Dazu müssen wir eine Reihe von Mechanismen überwinden, die normalerweise den Eintritt „falscher“ Aminosäuren in den genetischen Code verhindern. Ein kritischer Mechanismus ist beispielsweise die Aufnahme der ncAAs in die Zelle. Weiterhin spielen die metabolische Stabilität und die Translationsaktivität der Aminosäure hierbei eine große Rolle. Darüber hinaus müssen wir den kodierenden und/oder nichtkodierenden Basentripletts neue Bedeutungen zuweisen, sodass die ncAAs in den genetischen Code aufgenommen und in unsere Zielproteine eingebaut werden können. Und selbstverständlich müssen wir die (chemisch sinnvollen) nichtkanonischen Aminosäuren synthetisch herstellen. Auf diese Weise lassen sich nicht nur natürlich vorkommende Aminosäurevarianten, sondern auch in der Natur nicht vorkommende funktionelle Gruppen (z.B. Azide und Alkine für die Click-Chemie) in Proteine einbauen.


(für mehr Details: Hoesl, M. G., Budisa, N., (2012). Recent advances in genetic code engineering in Escherichia coli. Curr. Opin. Biotechnol. 23, 1–7.)

 

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