Metabolische Inkorporation von latenten Thioestern

Einzelne Proteinbausteine,sogenannte Proteinmonomere, können mittels gentechnischer Modifikation so verändert werden, dass sie durch Polykondensation gummiartig verformbare (elastomere) Polymerebilden. Diese elastomeren Proteinbiopolymere sind innovative Ausgangsstoffe für biomedizinische Anwendungen und neuartige Materialien. Seit einigen Jahren ist die Herstellung von elastomeren Proteinbiopolymeren Gegenstand intensiver Forschung. Trotz vielversprechender Fortschritte in der Herstellung derartiger Proteinbiopolymere, fehlen flexible und effiziente Ansätze, um die Eigenschaften der neuartigen Materialien gezielt zu manipulieren. Das Ziel des vorliegenden Projekts MISTER ist es, Konzepte aus der organischen Chemie und der synthetischen Biologie miteinander zu einem neuen Ansatz für die Polykondensation von Proteinmonomeren zu kombinieren. Dazu sollen Proteinmonomere an definiertenPositionen mit aktivierbaren,extrem reaktionsfreudigen Thioestergruppen ausgestattet werden. Es ist zu erwarten, dass die außerordentliche Reaktivität der Thioestergruppen und ihre Chemoselektivität die lineare Polykondensation der einzelnen Proteinmonomere deutlich verbessern. Um die Robustheitdes Ansatzes zu überprüfen, stattenwird ein rekombinantes Proteinmonomer, das Titin, mit Thioestergruppen aus, über die es polykondensiert und ein Proteinbiopolymer bildet, das muskelartige mechanische Eigenschaften besitzt.

Metabolische Inkorporation hochreaktiver Oxalylthioester: ein integrativer Ansatz zur Produktion markierter Proteine und Biopolymere Das Projekt auf einen Blick Proteine lassen sich in umweltfreundliche, biokompatible Materialien umwandeln, die sich ideal für medizinische und industrielle Anwendungen eignen; bislang war ihre Vielfalt jedoch begrenzt. Das MISTER Projekt verbindet Chemie und Synthetische Biologie, um neue "Andockstellen" in Proteinen zu schaffen. So werden präzise Markierungen, effiziente Verknüpfungen und der Aufbau robuster, proteinbasierter Biopolymere möglich. Die Idee Thioester sind wertvolle "Verbinder" für die Verknüpfung von (Poly)peptiden mittels Native Chemical Ligation. Ihre Nutzung in Konjugationsreaktionen ist jedoch durch einen ungünstigen Kompromiss zwischen Stabilität und Reaktivität in wässriger Umgebung limitiert. MISTER adressiert dieses Problem mit einer neuartigen, schaltbaren ThioesterGruppe namens oxoSEA. Diese Gruppe reagiert hochselektiv und schnell mit beta-Aminothiolen, bleibt jedoch bis zur Aktivierung stabil. Nach dem "Einschalten" reagiert sie rasch und selektiv - und vereinfacht so die Markierung und Verknüpfung von Proteinen für Forschung, Medizin und Biomaterialien. Was wurde erreicht? Neue Bausteine im größeren Maßstab: Ein stabiler Lys(oxoSEA) Baustein wurde im Gramm Maßstab hergestellt - sowohl als geschützter Vorläufer als auch in freier Form. Schnelle und selektive Reaktionen: Konjugationsreaktionen verlaufen rasch, selbst bei sehr niedrigen Konzentrationen und in komplexen Proben; die Aktivierung erfolgt kontrolliert unter milden, reduzierenden Bedingungen. Präzise Einbaustrategien: Chemisch/enzymatisch: Proteine (z. B. Ubiquitin) wurden gezielt mit einer oxoSEA Gruppe funktionalisiert und effizient verknüpft; mit Sortase A wurden Umsetzungen von über 90 % erreicht. Biologisch: Der oxoSEA Baustein wurde genetisch in bakterielle Proteine eingebaut - ein wichtiger Schritt hin zu direkt in Zellen hergestellten, markierten Proteinen. Erste Materialien: Kettenförmige Protein Biopolymere, inspiriert vom Muskelprotein Titin, wurden aus bifunktionalen Proteindomänen aufgebaut. Eine bekannte Hürde - unerwünschte Ringbildung - konnte durch alternative, insbesondere enzymatische Ansätze deutlich verringert werden. Warum das wichtig ist Für die Medizin: Proteine lassen sich präzise markieren oder verbinden - für bessere Diagnostik, gezielten Wirkstofftransport und maßgeschneiderte Biomaterialien. Für nachhaltige Materialien: Neue Proteinpolymere sind biokompatibel und abbaubar und könnten erdölbasierte Kunststoffe teilweise ersetzen. Für die Forschung: Die integrierte Plattform vereint schnelle, kontrollierbare Chemie mit Synthetischer Biologie - eine vielseitige Basistechnologie für zahlreiche Anwendungen. Wie geht es weiter? Die Schnittstelle zwischen Chemie und Biologie wird weiter ausgebaut, der Einbau in komplexere Proteine vereinfacht und Polymerarchitekturen werden so optimiert, dass höhere Molekulargewichte und neue Materialeigenschaften erreicht werden. Parallel dazu werden grundlegende Reaktionsprinzipien vertieft - für robuste, skalierbare Anwendungen in Biotechnologie, Proteinchemie und Materialwissenschaft.