De-novo enzyme design for olefin metathesis

Die Entwicklung von Enzymen mit neuartiger Funktionalität ist eines der vielversprechendsten Anwendungsgebiete von computer- gestützten bioinformatischen und quantenchemischen Methoden. Im Rahmen dieser Masterarbeit wurde ein Metalloenzym entwickelt, welches die Ringschlussmetathese von Diallylether katalysiert, eine in der Natur unbekannte Reaktion. Der Designvorgang wurde ent- sprechend dem “inside-out” Protokoll für de-novo Enzym-Design gestaltet, welches vorsieht, ein neuartiges reaktives Zentrum in das Grundgerüst eines bereits bekannten Proteins einzubringen. Die Mod- ellierung eines Reaktionszentrums für Metathese erfolgte am Beispiel des hochaktiven, rutheniumbasierten Grubbs-Katalysators der zweiten Generation. Um eine effiziente Suche nach katalysefördernden Reak- tionszentrumsmodellen zu gewährleisten, wurde ein stochastischer Optimierungsalgorithmus in der Form eines genetischen Algorithmus entwickelt, welcher quantenchemische Berechnungen auf DFT-Basis als Selektionskriterium verwendet. Anschließend wurde das Rosetta- Programmpaket benutzt, um eine Datenbank von Proteinkristallstruk- turen nach für die Unterbringung der Modellgeometrien geeigneten Proteingerüsten zu durchsuchen und um die katalytischen Wechsel- wirkungen dieser neu eingeführten aktiven Zentren mittels Sequenz- design zu optimieren. Die Anwendung dieser Prozedur führte zum Neudesign vier vielversprechender Metalloenzyme auf Basis der Pro- teine mit den Proteindatenbank IDs 1JQ5, 3E3P, 1O8V und 3C9U. Um diese Designs auf ihre Metatheseaktivität hin zu untersuchen, wird ihre experimentelle Exprimierung und Charakterisierung in der Gruppe von Univ.-Prof. Dr. C. Becker (Universität Wien) erfolgen.