Gerichtete Evolution

Durch gerichtete Evolution können mittels einer Mutagenese und nachfolgender Selektion Mutanten mit verbesserten Eigenschaften identifiziert werden. Sie ist eine Methode des Protein-Engineerings und findet vor allem in der weißen Biotechnologie und der Biokatalyse Anwendung. Für "die gerichtete Evolution von Enzymen" erhielt Frances Arnold im Jahr 2018 den Nobelpreis für Chemie.

Frances H. Arnold prägte das erste Gesetz der zufälligen Mutation und Selektion: „You get what you screen for“ („Man erhält (nur), wonach man sucht“). Die richtige Wahl der Fitnessfunktion ist entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution. Prinzipiell gibt es zwei Methoden zur Mutagenese: die zufällige Mutagenese und die von Arnold und Miyazaki verwendete Sättigungsmutagenese.

Die zufallsbasierte Mutagenese wird meist mit PCR-basierten Methoden wie der error-prone-PCR durchgeführt. Daneben gibt es auch rekombinative Methoden wie DNA-Shuffling, Structure-Based Combinatorial Protein Engineering (SCOPE) oder RACHITT, bei dem ein chimäres Gen aus zwei oder mehr verwandten Genen erzeugt wird.

Entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution ist die Identifizierung von verbesserten Mutanten des Proteins. Oftmals erbringt die Analyse von erfolgreichen Mutanten überraschende Ergebnisse wie Mutationen, welche die Aktivität des Enzyms entscheidend beeinflussen, obwohl sie sehr weit außerhalb des aktiven Zentrums des Enzyms liegen. Die gerichtete Evolution trägt so viel zum Verständnis der Wirkungsweise von Enzymen bei.

Während beim rationalen Proteindesign, also dem Verändern eines Proteins durch gezielte Einführung von Mutationen in sein Gen, eine genaue Kenntnis der Struktur des Proteins und seines Wirkungsmechanismus (bei Enzymen der Reaktionsmechanismus) notwendig ist, ist für die gerichtete Evolution lediglich eine Selektion der gesuchten Mutanten erforderlich. Für Eigenschaften von Enzymen wie der Lösemittel- oder der Temperaturstabilität, deren molekulare Ursachen noch nicht ausreichend verstanden sind, ist daher die gerichtete Evolution das Mittel der Wahl. Weitere Anwendungen sind die Änderung der Regioselektivität, Chemoselektivität und Enantioselektivität von Enzymen sowie der Substratspezifität, insbesondere gegenüber unnatürlichen Substraten. Die gerichtete Evolution der Nukleinsäuren wird vor allem in der Aptamer-Technologie (SELEX) und für die Optimierung von Ribozymen eingesetzt.

Die Tre-Rekombinase wurde durch gerichtete Evolution erzeugt.

• F. H. Arnold: Directed Evolution: Bringing New Chemistry to Life. In: Angewandte Chemie. Band 57, Nummer 16, 04 2018, S. 4143–4148, doi:10.1002/anie.201708408, PMID 29064156, PMC 5901037 (freier Volltext).
• L. Yuan, I. Kurek u. a.: Laboratory-directed protein evolution. In: Microbiology and molecular biology reviews : MMBR. Band 69, Nummer 3, September 2005, S. 373–392, ISSN 1092-2172. doi:10.1128/MMBR.69.3.373-392.2005. PMID 16148303. PMC 1197809 (freier Volltext).
• S. J. Hendel, M. D. Shoulders: Directed evolution in mammalian cells. In: Nature methods. Band 18, Nummer 4, 04 2021, S. 346–357, doi:10.1038/s41592-021-01090-x, PMID 33828274, PMC 8063495 (freier Volltext).
• F. K. Tamaki: Directed evolution of enzymes. In: Emerging topics in life sciences. Band 4, Nummer 2, 09 2020, S. 119–127, doi:10.1042/ETLS20200047, PMID 32893862.
• C. Zeymer, D. Hilvert: Directed Evolution of Protein Catalysts. In: Annual review of biochemistry. Band 87, 06 2018, S. 131–157, doi:10.1146/annurev-biochem-062917-012034, PMID 29494241.
• S. R. Nirantar: Directed Evolution Methods for Enzyme Engineering. In: Molecules. Band 26, Nummer 18, September 2021, S. , doi:10.3390/molecules26185599, PMID 34577070, PMC 8470892 (freier Volltext).

• the Hilvert Lab: „Directed Evolution“, ETH Zürich