CompassR: Eine neue Regel für die Rekombination von vorteilhaften Substitutionen in der gelenkten Evolution

14.11.2019
  Haiyang Cui Urheberrecht: © BioVI Haiyang Cui

Haiyang Cui, Hao Cao, Haiying Cai, Karl Erich Jaeger, Mehdi D. Davari, Ulrich Schwaneberg, Computer‐assisted Recombination (CompassR) teaches us how to recombine beneficial substitutions from directed evolution campaigns, Chemistry A European Journal, 2019, https://doi.org/10.1002/chem.201903994

Die computergestützte Rekombination CompassR Strategie ist ein Auswahlfilter für Experimentatoren, vorteilhafte Substitutionen zu rekombinieren, um die Enzymleistung schrittweise zu verbessern und Verbesserungen durch Rekombination zu maximieren.

 
  CompassR arbeitet durch die Analyse der relativen freien Faltungsenergie und fungiert im Wesentlichen als Rekombinationspfadfinder-App für die Rekombination von vorteilhaften Substitutionen, die durch  gelenkte Evolution und/oder rationlaes Design identi Urheberrecht: © Chem.: Eur. J. CompassR arbeitet durch die Analyse der relativen freien Faltungsenergie und fungiert im Wesentlichen als Rekombinationspfadfinder-App für die Rekombination von vorteilhaften Substitutionen, die durch gelenkte Evolution und/oder rationlaes Design identi

Die gelenkte Evolution hat sich zu einer leistungsfähigen Methode zur Verbesserung von Enzymen in der Katalyse und in medizinischen Anwendungen entwickelt, wie der Nobelpreis für Chemie 2018 belegt. Eine der wichtigsten verbleibenden Herausforderungen ist die Frage, wie man vorteilhafte Substitutionen rekombinieren kann. Systematische Rekombinationsstudien zeigen, dass weniger leistungsfähige Varianten in der Regel nach der Rekombination von 3 bis 4 vorteilhaften Substitutionen erhalten werden. Letzteres beschränkt die Forscher darin, die Vorteile von vorteilhaften Substitutionen, die in gezielten Evolutionskampagnen identifiziert wurden, zu nutzen und das Potenzial der Natur zur Generierung besserer Enzyme zu nutzen. Die computergestützte Rekombinations – CompassR – Strategie bietet einen Auswahlleitfaden für vorteilhafte Substitutionen, die rekombiniert werden können, um die Enzymleistung durch Analyse der relativen freien Faltungsenergie schrittweise zu verbessern. Die Eignung von CompassR wurde durch die Analyse von 84 Rekombinanten an 13 Positionen der Bacillus subtilis Lipase A bewertet. Die Analyse ihrer relativen freien Faltungsenergie wurde verwendet, um die CompassR-Regel abzuleiten, dass Substitutionen mit einer relativen freien Faltungsenergie unter +0,36 kcal/mol effizient rekombiniert werden können, Varianten mit einer freien Faltungsenergie zwischen +0,36 und +7,52 kcal/mol aktiv und inaktiv waren und somit unvorhersehbares Verhalten anzeigten. Freie Faltungsenergien über +7,52 kcal/mol ergaben hauptsächlich inaktive Varianten. Die finale Rekombinante mit vier Aminosäuresubstitutionen hatte eine 2,7-fach verbesserte spezifische Aktivität in 18,3 % ionischer Flüssigkeit [BMIM][Cl]. Insbesondere die BSLA-Varianten mit 3 und 4 Substitutionen waren leistungsfähiger als die Varianten mit 2 Substitutionen. Im Wesentlichen ermöglicht die neue CompassR-Regel die iterative Rekombination vorteilhafter Substitutionen und ermöglicht es Forschern, Enzymverbesserungen zeiteffizient zu erzielen.

Diese Arbeit wurde in der Abteilung Computational Biology durchgeführt und durch die von JARA-HPC von der RWTH Aachen (JARA0187) zur Verfügung gestellten Rechenressourcen unterstützt. Haiyang Cui wird finanziell durch das Stipendium des China Scholarship Council (CSC) unterstützt.