Molekularbiologie

Veränderung der Fluoreszenz bei E. coli-Bakterien aufgrund einer veränderten Interpretation des genetischen Codes und demzufolge des Einbaus einer nicht kanonischen Aminosäure.

Forscher erweitern den genetischen Code

Der genetische Code schreibt vor, wie die in der DNA gespeicherten Erbinformationen in die Aminosäuresequenzen der Proteine zu übersetzen sind. Hierbei gibt es eine auffällige Besonderheit – alle auf der Erde lebenden Organismen kommen mit denselben 20 Aminosäuren als grundlegenden Bausteinen für ihre Proteinsynthese aus. Doch in diesem "kanonischen Repertoire" fehlen viele interessante Aminosäureverbindungen, die Atome wie Fluor, Chlor, Brom, Selen, Silizium oder interessante chemische Gruppen (cyano-, azido-, nitroso-, nitro- usw.) enthalten. Mit diesen Bausteinen ließen sich ganz neue Klassen von therapeutischen oder diagnostischen Proteinen herstellen, nicht-invasive Protein-basierte Sensoren, neue umweltfreundliche Materialien usw..

Erste Versuche zeigen, dass die Zahl der Aminosäuren in der Proteinsynthese weit über die kanonischen Zwanzig hinaus ausgedehnt werden kann. Das ist aber nur möglich, wenn man entweder die Interpretation des genetischen Codes verändert oder die Kodierungskapazität durch zusätzliche Aminosäuren erweitert. Schon in den 1950er-Jahren gelang es Georges Cohen und Dean Cowie am Pasteur-Institut in Paris, einen E. coli-Bakterienstamm zu identifizieren, der in der Lage war, statt der kanonischen Aminosäure Methionin eine ähnliche Verbindung, Selenomethionin, in die eigenen Proteine einzubauen. Dieser Bakterienstamm war auxotroph, das heißt, nicht fähig den Baustein Methionin selbst herzustellen. Aber er konnte diesen aus seiner Umwelt (Nährmedium) beziehen. Das ermöglichte eine Zwangsfütterung der Bakterien mit Selenomethionin. Vor zwanzig Jahren konnte dann J. T. Wong in Kanada einen Bacillus-Bakterienstamm mit einer Vorliebe für nichtkanonische Aminosäuren erfolgreich genetisch selektieren. Diesen Stamm bezeichnete er als den "ersten freilebenden Organismus in den letzten paar Milliarden Jahren, der zügig gelernt hat, wie man erfolgreich vom universalen genetischen Code abweichen kann".

Heute setzt man genetisch manipulierte Zellen ein (bei denen z.B. ein oder mehrere Gene für die Aminosäureherstellung verändert sind), um die Aminosäure-Auswahl für die Proteinsynthese zu beeinflussen. Solche Zellen können neue nicht kanonische Aminosäuren selbst produzieren oder direkt aus dem Nährmedium aufnehmen. Die neuen Proteinbausteine für die Proteinsynthese werden durch Aminoacyl-tRNA-Synthetasen ausgewählt, eine Familie von 20 Enzymen, deren Hauptaufgabe die Interpretation des genetischen Codes ist. Diese Enzyme müssen häufig entsprechend verändert werden, damit sie die gewünschte Aminosäure in Substrate für die Proteinsynthese umwandeln. In der Regel ist eine erfolgreiche Erhöhung der Anzahl der Aminosäurebausteine nur durch Kombination des Engineering dieser Enzyme mit der Umsteuerung des Metabolismus in der entsprechenden Wirtszelle möglich.

Das "Gold fluoreszierende Protein" ist ein besonders überzeugendes Beispiel, wie mächtig diese Technologie für das Design von maßgeschneiderten Proteinen ist. Die Forscher ersetzten Tryptophan (Trp66) des "Cyan fluoreszierenden Proteins" durch Amino-Tryptophan, um durch eine Elektronen spendende Aminogruppe sowohl in der Absorption als auch in der Fluoreszenz ein neues Spektralfenster für das Protein zu öffnen. Das resultierende "Gold-fluoreszierende Protein" (EgdFP) zeigt ein um 68 Nanometer rotverschobenes Emissionsmaximum – ein Spektrum, dass von allen mit dem kanonischen Aminosäure-Repertoire erzeugten Mutanten nicht erreicht wird.

Diese Ergebnisse wurden im Mai 2003 im Journal of Molecular Biology veröffentlicht.