Form and Function: Two computational protein design studies

Abstract

Proteine sind nicht nur grundlegende Bausteine unserer Zellen, sondern auch verantwortlich für die Katalyse der meisten Reaktionen die unser Leben ausmachen. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus aus nur zwanzig verschiedenen Aminosäuren und der trotzdem hohen Variabilität in Größe, Form und Funktion sowie der gut skalierbaren Produktion in Bakterien haben Proteine aber auch ideale Voraussetzungen um gerichtet Katalysatoren für chemische Prozesse zu konstruieren. Hierbei sind besonders zwei Gebiete von Interesse: Das Design von Proteinfaltungen sowie das Design neuer Aktivitäten. Ein Teil der vorgestellten Arbeit beschäftigt sich mit dem Design eines de novo TIM-barrels, der wohl wichtigsten Faltung für Enzyme. Dieses Projekt entstand aus einer Zusammenarbeit mit Possu Huang und der Arbeitsgruppe von David Baker an der Universität Washington, Seattle. Verschiedene Designs, welche nach gemeinsam festgelegten Prinzipien von Possu Huang am Computer generiert worden waren, wurden dabei von mir charakterisiert. Eine Variante kristallisierte und lieferte eine Kristallstruktur die den Erfolg des Designs bestätigte. Diese Ergebnisse wurden Anfang des Jahres in Nature Chemical Biology publiziert. Der zweite Teil beschäftigt sich mit dem rationalen Design einer neuen enzymatischen Aktivität basierend auf der klassischen katalytischen Serintriade. Mehrere Proteinstrukturen wurden mittels Computer-gestützter Suche als mögliche Träger der Triade identifiziert und basierend darauf verschiedene Varianten mit optimierten Bindungstaschen in silico konstruiert und evaluiert. Die Konstrukte wurden im Labor hergestellt und analysiert. Eine Variante zeigte eine schwache katalytische Aktivität. Diese Variante wurde hinsichtlich Struktur und Funktion im Detail charakterisiert. Diese beiden komplementären Studien, die beide versuchen die Grenzen des Computer-gestützten Design der Form und Funktion von Proteinen zu erweitern, tragen bei zu einem besseren Verständnis von Proteinsequenz-, Struktur- und Funktionsbeziehungen.