Protein-Engineering (Wahl Biochemie/Zellbiologie) - Cheatsheet.pdf

Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen

Definition:

Einordnung der Proteinstrukturen in vier strukturelle Hierarchieebenen; Primärsequenz (Aminosäurekette), Sekundärstruktur (α-Helix, β-Faltblatt), Tertiärstruktur (räumliche Faltung) und Quartärstruktur (Zusammenlagerung von mehreren Polypeptidketten).

Details:

• Primärstruktur: Sequenz der Aminosäuren in der Polypeptidkette
• Sekundärstruktur: lokale Faltungsmuster wie α-Helix und β-Faltblatt; Stabilisation durch Wasserstoffbrücken
• Tertiärstruktur: dreidimensionale Anordnung der gesamten Polypeptidkette; Stabilisation u.a. durch hydrophobe Wechselwirkungen, Disulfidbrücken, ionische Bindungen
• Quartärstruktur: Assemblierung von mehreren Polypeptidketten (Untereinheiten) zu einem funktionellen Protein; z.B. Hämoglobin

Protein-Faltung und -Fehlfaltung

Definition:

Protein-Faltung: Prozess, bei dem Protein seine nativen 3D-Struktur erlangt. Fehlfaltung: Wenn Proteine nicht korrekt falten und dysfunktionale oder toxische Strukturen annehmen.

Details:

• Erfolgt durch hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken, Disulfidbrücken und Van-der-Waals-Kräfte.
• Chaperone helfen bei korrekter Faltung.
• Fehlgefaltete Proteine können Aggregate bilden (z.B. Amyloide).
• Krankheiten: Alzheimer, Parkinson, Prion-Krankheiten.
• Protein-Engineering: Design stabiler, korrekt faltender Proteine.

Direkte Evolution von Proteinen

Definition:

Methode, um Proteine durch schrittweise zufällige Mutationen und selektiven Druck zu verbessern oder neue Funktionen zu erzeugen.

Details:

• Startet mit zufälliger Mutagenese oder gezielter Mutagenese.
• Expression der mutierten Gene in einem geeigneten System.
• Screening oder Selektion für gewünschte Eigenschaften.
• Iterieren dieser Schritte für mehrfachen evolutionären Durchlauf.
• Typische Anwendungen: Enzymoptimerung, Entwicklung neuer Katalysatoren, Anpassung an neue Substrate.
• Beispiel: Verbesserung der Verdauungsenzyme für industrielle Prozesse.

Techniken zur Bestimmung der Proteinstruktur (z.B. Röntgenkristallographie, NMR)

Definition:

Techniken zur Proteinstruktur-Bestimmung: Präzises Bild der 3D-Struktur von Proteinen durch Methoden wie Röntgenkristallographie und NMR.

Details:

• Röntgenkristallographie: Beugung von Röntgenstrahlen durch kristallisiertes Protein, Elektronendichtekarte erstellt, atomare Positionen bestimmt.
• NMR (Kernspinresonanzspektroskopie): Nutzung magnetischer Eigenschaften von Atomkernen, Informationen über Nähe/Bewegung von Atomen im Protein in Lösung.
• Beide Methoden ergänzen sich: Röntgen für hohe Auflösung, NMR für dynamische Einblicke in Lösung.

Enzymoptimierung für industrielle Prozesse

Definition:

Optimierung von Enzymen zur Steigerung ihrer Effizienz und Stabilität in industriellen Anwendungen unter Berücksichtigung spezifischer Anforderungen.

Details:

• Ansätze zur Enzymoptimierung: gerichtete Evolution, rationales Design
• Wichtige Parameter: Temperaturstabilität, pH-Toleranz, Substratspezifität
• Methoden zur Mutation: Error-Prone PCR, DNA-Shuffling
• Screening- und Selektionsmethoden zur Identifikation verbesserter Enzyme
• Anwendungen: Bioenergie, Lebensmittelindustrie, Pharmazeutik, Textilindustrie

Hochdurchsatz-Screening und Selektionsmethoden

Definition:

Techniken zur schnellen Identifizierung und Auswahl von Proteinen mit gewünschten Eigenschaften.

Details:

• Hochdurchsatz-Screening (HTS): Automatisierte Messung von Tausenden bis Millionen Proben.
• Verwendet zur Identifizierung von Enzymaktivitäten, Bindungsaffinitäten, oder Stabilitäten.
• Selektionsmethoden: Strategien zur Anreicherung von Mutanten mit gewünschten Phänotypen.
• Beispiele: Phage Display, Yeast Display, Ribosome Display.
• HTS oft gekoppelt mit Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Assays.
• Verwendung von Roboteranlagen zur Handhabung von Proben.
• Wichtigkeit: Erleichtert die Optimierung und Entwicklung neuer Proteine.

Bioinformatische Tools zur Protein-Engineering

Definition:

Bioinformatische Tools unterstützen bei der Vorhersage, Modellierung und Analyse von Proteinstrukturen und -funktionen zur gezielten Modifikation.

Details:

• Homologiemodellierung: Erstellung von 3D-Strukturen basierend auf bekannten Proteinstrukturen
• Molekulardynamik: Simulation der physikalischen Bewegungen von Proteinen
• Docking-Software: Vorhersage der Bindung von Liganden an Proteine
• Mutationsanalyse: Bewertung der Auswirkungen spezifischer Mutationen
• Sequenzalignment: Vergleich und Analyse von Proteinsequenzen
• Datasetbanken: Zugriff auf Proteinstrukturen (z.B. PDB)

Ethische Grundsätze in der Biotechnologie

Definition:

Ethische Grundsätze sind Richtlinien, die sicherstellen sollen, dass biotechnologische Fortschritte verantwortungsbewusst und im Einklang mit gesellschaftlichen Werten eingesetzt werden.

Details:

• Sicherheit: Risikoabschätzung für Mensch und Umwelt.
• Transparenz: Offenlegung von Forschungsergebnissen und Methoden.
• Gerechtigkeit: Fairer Zugang zu biotechnologischen Anwendungen.
• Autonomie: Achtung der Selbstbestimmungsrechte von Individuen.
• Wohlergehen: Maximierung von Nutzen und Minimierung von Schaden.