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Die Projekte im Weissenborn-Labor

Im Fokus unserer Arbeit steht die Entwicklung umweltfreundlicher Alternativen zu momentan verwendeten Synthesen und Methoden. Diese neuen Reaktionen sollen enzymatisch ablaufen. Es gilt daher erstmal die richtigen Enzyme zu finden. Wie bereits auf der Startseite beschrieben sind Enzyme ihren natürlichen Reaktionspartner gegenüber untreu. Das heißt, dass sie auch Reaktionen mit anderen Substanzen und sogar völlige neue nicht-natürliche Reaktionen katalysieren. Diese als Promiskuität (engl. promiscuity = fremdgehen) bezeichnete Eigenschaft der Enzyme ist besonders ausgeprägt, wenn deren Substrate nicht im Organismus oder dessen Umwelt vorhanden sind.

Darwin-Finken als Beispiel
Im Prinzip kann die Ausprägung der Promiskuität anhand der Darwin-Finken auf den Galapagosinseln nachvollzogen werden. Die Vögel entwickelten sich aufgrund der Isolation vom Festland nahezu unabhängig von südamerikanischen Verhältnissen und passten sich so sowohl phänotypisch, als auch in ihren Verhaltensweisen über mehrere Generationen auf die entsprechenden Umweltbedingungen an (adaptive Radiation). Dennoch ist davon auszugehen, dass die Finken in anderer Umgebung, mit anderen Feinden und anderer Nahrung, überleben würden.

Anpassungsfähigkeit der Enzyme
Diese Anpassungsfähigkeit findet auf molekularer Ebene unter anderem durch Entwicklung von Enzympromiskuität statt. Enzyme haben wie auch die Finken eine Evolution nach Darwin durchlaufen, um sich an neue Substrate bzw. Nahrung anzupassen und das Überleben zu sichern. Die Enzyme können aus tausenden natürlichen Substanzen spezifisch und nahezu ausschließlich ein Substrat katalytisch umsetzen. Wenn dem Enzym Substanzen angeboten werden, welche in der Enzymevolution der letzten 100.000 Jahren keine Rolle gespielt haben, so kann deren Umsetzung aufgrund mangelnder spezifischer Abwehr möglicherweise katalysiert werden.

Natürliche vs. unnatürliche Moleküle
Das Enzym TycA bspw. ist hochselektiv für die Aminosäure L-Phenylalanin. Die Spezifität für L-Phenylalanin ist 800-mal höher als für das ebenfalls natürlich vorkommende L-Tyrosin – wobei sich beide Aminosäuren nur um eine Hydroxy-Gruppe unterscheiden. Im Vergleich dazu weist TycA nur eine zweifach höhere Spezifität für L-Phenylalanin gegenüber der nicht-natürlichen Aminosäure D-Phenylalanin auf, obwohl das Enzym wahrscheinlich noch nie mit diesem Substrat in Kontakt kam. Dieses Beispiel illustriert, dass Enzymevolution und insbesondere die Entwicklung der Spezifität auf Grundlage der vorhandenen Substrate abläuft. In Gegenwart nicht-natürlicher Substrate ist die Spezifität der Enzyme viel geringer – und dadurch die Möglichkeit promiskuitive Reaktionen zu entdecken deutlich höher.

Promiskuitätsanalyse – die Entdeckung neuer enzymatischer Reaktionen

Die oben dargestellte Strategie und der Einsatz von Diazoverbindungen als nicht-natürliche Substrate führte zur Entdeckung eines E. coli-Enzyms, welches eine nie zuvor gezeigte enzymatische Carbonyl-Olefinierung katalysiert. 

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Biokatalytische Charakterisierung von neuen Enzymen

Nachdem eine neue Reaktion in der ersten Säule entdeckt wurde, soll sie in diesem Bereich im Detail analysiert werden.

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Zellwachstums-Selektion für die gerichtete Evolution

Die Zellen sollen anschließend so modifiziert werden, dass nur jene Zellen wachsen, welche die gewünschte enzymatische Reaktion katalysieren.

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C-H-Hydroxylierungen

Das vierte Thema ist unabhängig von den drei anderen. Hier geht es um spezifische und gerichtete enzymatische C-H-Hydroxylierungen, welche im wässrigen Milieu und bei Raumtemperatur chemisch nicht möglich sind.

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Diese Seite wurde zuletzt am 01.02.2017 geändert.

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