Auf dem Weg zu chemisch veränderten Organismen mit genetischer Firewall

Acevedo‐Rocha, Carlos G.; Budiša, Nediljko

doi:10.1002/ange.201103010

Angewandte Chemie

2011

DOI: 10.1002/ange.201103010

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Auf dem Weg zu chemisch veränderten Organismen mit genetischer Firewall

Carlos G. Acevedo‐Rocha

Nediljko Budiša

Abstract: Ein automatisiertes System für die kontinuierliche Kultivierung von Zellen in Suspension wurde zur globalen Veränderung der E.‐coli‐Genom‐DNA verwendet. Thymin wurde während der künstlichen Zellevolution fast ganz durch 5‐Chloruracil ersetzt, nachdem bakterielles Erbgut unter konstanten Bedingungen der Proliferation und Zuchtwahl weitreichend mutiert worden war. So entstanden an 5‐Chloruracil angepasste Nachkommen mit der Fähigkeit zum Wachstum auf 5‐Chloruracil.

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Chemische Evolution eines bakteriellen Proteoms

et al. 2015

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Der natürliche Satz an Aminosäuren innerhalb des genetischen Codes wurde durch kontinuierliche Evolution von Escherichia coli so modifiziert, dass diese in Gegenwart der synthetischen Aminosäure L‐β‐(Thieno[3,2‐b]pyrrolyl)alanin ([3,2]Tpa) als alleiniges Surrogat zur kanonischen Aminosäure L‐Tryptophan (Trp) wachsen. Mittels Langzeit‐Kultivierung in synthetischem Nährmedium konnten Bakterien evolviert werden, die diese Substitution im Proteom an allen 20899 TGG‐Codons im Genom von E. coli W3110 aufweisen. Die erzeugten Bakterien mit naturfremder Aminosäurezusammensetzung zeigen robustes Wachstum selbst in Abwesenheit von Tryptophan. Unsere Experimente stellen einen richtungweisenden Ansatz zur Evolution synthetischer Zellen mithilfe alternativer biochemischer Basiskomponenten dar.

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Chemische Evolution eines bakteriellen Proteoms

et al. 2015

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Synthetische Biologie – die Synthese der Biologie

Ausländer¹,

Auslander²,

Fussenegger

2017

Angewandte Chemie

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Die synthetische Biologie befasst sich mit der gezielten Konstruktion von lebenden Biomaschinen aus standardisierten Komponenten, die vordefinierte Aufgaben in einer (selbst‐)kontrollierten Weise ausführen können. Unterschiedliche Forschungsstrategien und interdisziplinäre Ansätze werden verfolgt, um technische Prinzipien in die Biologie zu implementieren. Die “top‐down”‐Strategie greift auf die enorme Diversität der Natur zurück, um natürliche Komponenten künstlich in genetischen, metabolischen oder signalweiterleitenden Netzwerken mit vorhersehbaren und kontrollierbaren Eigenschaften zusammenzuführen. Dieser hauptsächlich von der Anwendung her gedachte Ansatz bringt lebende Fabriken hervor, die Wirkstoffe, Treibstoffe, Biomaterialien und Feinchemikalien produzieren. Man bekommt lebende Pillen an die Hand, bestehend aus konstruierten Zellen mit der Fähigkeit, Krankheiten in vivo autonom zu entdecken und zu behandeln. Im Gegensatz dazu versucht man in der “bottom‐up”‐Strategie, sich von bestehenden lebenden Systemen unabhängig zu machen und biologische Systeme von Grund auf neu zu entwerfen. So sollen künstliche biologische Gebilde synthetisiert werden, die es in der Natur nicht gibt. Dieser eher wissensgetriebene Ansatz untersucht die Rekonstruktion minimaler biologischer Systeme, die grundlegende biologische Phänomene wie Selbstorganisation, Selbstreplikation und Selbsterhaltung hervorbringen können. Die Synthese künstlicher biologischer Einheiten wie synthetischer Nucleotide oder Aminosäuren und ihr Einbau in Polymere im Inneren lebender Zellen stellt gegenwärtig die Grenze zwischen natürlichen und künstlichen biologischen Systemen dar. Insbesondere Entwurf und Synthese ganzer Genome in vitro und ihre Übertragung in Wirtzellen sowie die Anwendung effizienter genomweiter Manipulationstechniken deuten auf die Zukunft der synthetischen Biologie: die Erschaffung lebender Designerzellen mit maßgeschneiderten erwünschten Eigenschaften für Biomedizin und Biotechnologie.

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Biokatalyse mit nicht‐natürlichen Aminosäuren: Enzymologie trifft Xenobiologie

et al. 2017

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Das Ziel der Xenobiologie ist das Design von biologischen Systemen, die mit nicht‐natürlichen biochemischen Funktionen ausgestattet sind, während die Enzymologie sich mit dem Verständnis von Enzymen auseinandersetzt, den Routinewerkzeugen der Biokatalyse. In der Biokatalyse werden Enzyme und Organismen dazu verwendet, um nützliche und leistungsfähige Biotransformationen in der synthetischen Chemie und Biotechnologie durchzuführen. In den vergangenen Jahren sind die Auswirkungen des Einbaus von nicht‐kanonischen Aminosäuren (nkAAs) in Enzyme, welche potentiell interessante Anwendung für die Biokatalyse aufweisen, mit gesteigerter Aufmerksamkeit untersucht worden. Mit diesem Aufsatz wollen wir einen Überblick über die Effekte und Auswirkungen neuer chemischer Funktionalitäten geben, mit denen Proteine ausgestattet wurden, um eine Vielzahl von Aspekten der enzymatischen Biokatalyse zu verbessern. Ein weiteres Hauptaugenmerk liegt auf zukünftigen Forschungsperspektiven, welche die nicht‐natürliche Mutagenese durch die Möglichkeiten des herkömmlichen Protein‐Engineerings ergänzen werden, um neue und vielseitige Biokatalysatoren mit Anwendungen in der synthetischen organischen Chemie und Biotechnologie zu generieren.

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