TRANSCENT - ein Enzymdesignprogramm zum Transfer aktiver Zentren unter Wahrung Katalyse-relevanter Rahmenbedingungen - University of Regensburg Publication Server

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-9161
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10722

Fischer, André

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Date of publication of this fulltext: 04 Aug 2008 16:21

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	3 August 2008
Referee:	Rainer (PD Dr.) Merkl
Date of exam:	19 December 2007
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Prof. Dr. Rainer Merkl Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biophysik und physikalische Biochemie > Prof. Dr. Reinhard Sterner
Keywords:	Proteine , Aktives Zentrum , Proteindesign , Molekulare Bioinformatik , Evolution , Enzym , computergestütztes Proteindesign , Funktionsumwandlung , aktives Zentrum , pka , enzyme , computational protein design , change of function , active site , pka
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	10722

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Abstract (German)

Abstract (German)

Nahezu alle Reaktionen des zellulären Stoffwechsels werden durch spezialisierte Proteine - die Enzyme - katalysiert, die meist enorme Effizienz aufweisen. Mit den heutigen Methoden der Biotechnologie ist es möglich, natürlich vorkommende Proteine zu verändern und völlig neuartige Proteinarchitekturen zu entwerfen. Allerdings ist es außerordentlich schwierig, Enzymfunktionen gezielt zu konstruieren. Ein weiterer, bisher nur in Ansätzen verstandener Aspekt von Enzymen ist deren Evolution. Für viele Enzyme ist unstrittig, dass sie von einem gemeinsamen Vorfahren abstammen. Allerdings kann die Entwicklung der verschiedenartigen Varianten höchstens in Einzelfällen im Detail verfolgt und erklärt werden.
Umwandlungsexperimente, bei denen das aktive Zentrum eines Enzyms auf das Proteingerüst eines anderen übertragen wird, können Einsichten in die evolutionäre Entwicklung spezifischer Enzymfunktionen liefern. Gleichzeitig erweitern solche Experimente und die hierbei gesammelten Erfahrungen das generelle Verständnis für Probleme des Enzymdesigns.
In dieser Arbeit wird das Programm TRANSCENT vorgestellt, das Modelle für Umwandlungsexperimente automatisch generiert. Grundlage der Modellierung sind die Raumstrukturen zweier Enzyme. Eine Struktur bildet die Vorlage und liefert die Informationen zur Enzymfunktion, die übertragen werden soll. Dazu gehören die Definition des aktiven Zentrums und die Lage des Liganden. Die zweite Struktur dient als Gerüst, auf dem diese enzymatische Funktion etabliert werden soll.
Beim Modellieren berücksichtigt das Programm vier verschiedene Rahmenbedingungen: 1) Hinreichende Stabilität des Proteinmodells. 2) Ligandenbindung im aktiven Zentrum. 3) Das Einstellen von Katalyse-relevanten pKa-Werten. 4) Die Ähnlichkeit des neuen aktiven Zentrums zur Vorlage.
Methoden um diese vier Rahmenbedingungen zu erfassen wurden als separate Module entwickelt und können in unterschiedlichen Kombinationen zur Optimierung der Umwandlung verwendet werden. Der Einfluss der Module auf die Qualität des Gesamtergebnisses wurde durch die Bewertung eines Testdatensatzes untersucht. Es wurde gezeigt, dass jedes einzelne Modul einen unabhängigen Beitrag zur optimalen Modellierung eines Transfers aktiver Zentren leistet.
Als Fallstudie wurde mit TRANSCENT die Übertragung aktiver Zentren zwischen verschiedenen TIM-Barrel-Proteinen aus der Histidin- und Tryptophan-Biosynthese modelliert. Die resultierenden Strukturmodelle wurden detailliert untersucht und auf Konsistenz überprüft.

Translation of the abstract (English)

Most reactions of cellular metabolism are catalysed by specialised proteins, named enzymes. Frequently, these enzymes feature enormous efficiency. Recent advances in biotechnology allow to modify native proteins and even to create artificial protein folds. In contrast, establishing a novel enzymatic function on a given protein fold remains extremely difficult.
A further, poorly understood feature of enzymes is their evolution. For several classes of enzymes, the existence of a common ancestor is accepted. However, details of the evolutionary process leading to highly specific variants remain unclear in many cases.
Replacement experiments aim at the substitution of one reaction centre by a second one. This kind of studies allows to illuminate enzyme evolution. In addition, developing algorithms for replacement experiments forces to tackle problems of protein design. Here, the software suite TRANSCENT will be presented. It automatically generates model structures for replacement experiments.
The basis for the modelling process are two protein 3D structures. The first structure serves as a template and provides information on the enzymatic function as well as a definition of the active centre and the orientation of the ligand. The second protein serves as a scaffold for establishing the enzymatic activity defined by the template. During modeling, TRANSCENT considers four constraints. These are protein stability, ligand binding, proper pKa values of active sites, and knowledge-based potentials deduced from the template.
For the processing of each constraint, a specific software module has been implemented. TRANSCENT allows to use these modules in different combinations. A set of test data was utilised to study the impact of individual modules and their combinations on the quality of resulting 3D models. It could be shown that each module contributes to the quality of the 3D model and that the combination of all modules performs best. As a case study, the replacement of reaction centres among TIM-barrel proteins was modelled. Results were examined in detail and checked for consistency.

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