DasProteindesign, synonymProteinoptimierung oderrationales Proteindesign, bezeichnet die gezielte Anpassung der Eigenschaften vonProteinen durchPeptidsynthese,Gensynthese oderortsspezifische Mutagenese der proteincodierendenDNA. Sie ist neben der zufällig entstehendengerichteten Evolution eine der beiden Strategien desProtein-Engineering.

Ziele des Proteindesigns sind Veränderungen von

• Expressionsmengen
• Bindungseigenschaften (z. B.Substrataffinität,Substratspezifität, Affinität zu anderen Bindungspartnern)
• katalytischen Eigenschaften (z. B.Stoffumsatz,Substratsättigung)
• toxischen Eigenschaften
• immunologischen Eigenschaften (z. B. RepetitiveEpitope,MHC-Bindung,Konsensussequenzen verschiedener Stämme, Maskierung durchGlycosylierungen)
• die Lokalisation in einemZellkompartiment
• im Falle vonInclusion Bodies dieLöslichkeit
• Erhöhung derbiologischen Halbwertszeit durch Minderung derProteolyse und Erhöhung derDenaturierungs- undThermostabilität

Die gezielte Veränderungrekombinanter Proteine kann zu Funktionsverlusten oder -gewinnen führen. Neben den gezielten Veränderungen an Protein werden zur Steigerung derGenexpression im Zuge einesVektordesigns meistens auch DNA-Abschnitte außerhalb der proteincodierenden Sequenz verändert. Durch die Wahl eines für die jeweiligeArt geeignetenPromotors,Enhancers undTerminators kann die Genexpression gesteigert werden. Weiterhin kann durch eineShine-Dalgarno-Sequenz (bei Bakterien) oder eineKozak-Sequenz (bei Eukaryoten) die Erkennung dermRNA amRibosom verbessert und durch einPolyadenylierungssignal am 3’-Ende und durch die Vermeidung von AUUUA-Sequenzen kann der vorzeitige Abbau der mRNA gemindert werden.

Durch eineCodon-Optimierung kann die Expressionsrate gesteigert werden, indem nur diejenigen 20 Aminosäurecodons verwendet werden, die in der jeweiligen Art am stärksten exprimiert werden (sieheCodon Usage).^[1] Eine gehäufte Verwendung suboptimaler Codons ist dagegen eine Methode zurAttenuierung von viralenLebendimpfstoffen.^[2] Neben den Codons können auch andere RNA-Sequenzen sich auf die Menge an gebildetem Protein auswirken und werden bei einer Codon-Optimierung mit einbezogen.^[3]Posttranslational modifizierbare Aminosäuren, wie sie in Glycosylierungs-,Phosphorylierungs-,Methylierungs-,Acetylierungs-,Sulfatierungs-,Myristylierungs-,Palmitoylierungs-,Farnesylierungs-,GPI-Anker- undGeranylgeranylierungsstellen vorkommen, können durch gezieltePunktmutationen in der DNA in das Protein eingeführt oder entfernt werden.

Durch die Veränderung eineskatalytischen Zentrums, einerSubstratbindungsstelle oder einer für eine Aktivierung notwendigenBindungsstelle für andere Moleküle (z. B. beiKofaktoren, temporärenProtein-Protein-Interaktionen oder beiProteinkomplexen) könnenkompetitiveInhibitoren erzeugt werden.

DieBiologische Halbwertszeit eines Proteins kann verlängert werden, in demPeptidaseschnittstellen,PEST-Sequenzen und bestimmteN-terminale Aminosäuren aus derN-End Rule geändert werden.

Punktmutationen können auch über die Veränderung der Primärstruktur die Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur beeinflussen, wie unter anderem überDisulfidbrücken-ausbildendeCysteine.α-Helices können durchrotationsflexible (Glycin),helixbildende (z. B.Alanin) undhelixbrechende Aminosäuren (Prolin) modifiziert werden. UnüblicheAminosäuren können über die Verwendung eineserweiterten genetischen Codes eingeführt werden.^[4]

NeueProteindomänen und damit einhergehende Funktionen können durchleserasterkonformeInsertionen von DNA-Sequenzen (aus Multiplen von drei Nukleotiden) in ein Gen hinzugefügt werden, die entstehenden hybriden Proteine bezeichnet man alsFusionsproteine.

Gelegentlich werden zurAufreinigung und zumNachweis kurze leserasterkonforme DNA-Sequenzen hinter dasStartcodon oder vor dasStopcodon des Gens eingefügt, welche alsProtein-Tags bezeichnet werden.

Weitere übliche Insertionen sind flexible Verbindungen (engl.linker, zwischen zweiProteindomänen einesFusionsproteins), daneben auchInteine,2A-Peptide oderProtease-Erkennungssequenzen, die eine Abspaltung eines Teils des Proteinsin vitro oderin vivo ermöglichen.

Transiente Insertionen können durch das Einfügen vonInteinen oder durch Verwendung desCre-lox-Systems erzeugt werden.

Durch leserasterkonformeDeletionen von Multiplen von drei Nukleotiden können Eigenschaften entfernt werden. Dabei können gelegentlich auch andere Eigenschaften des Proteins in den Vordergrund treten, wie z. B. bei der Entfernung regulatorischer Domänen. Die Lokalisation in einemZellkompartiment kann durch Hinzufügen oder Entfernen vonSignalsequenzen verändert werden. Durch das Hinzufügen oder Entfernen einerTransmembrandomäne können lösliche Proteine undMembranproteine ineinander überführt werden. Bei einer Insertion von codierenden Sequenzen fürzellpenetrierende Peptide kann der Zelleintritt eines Proteins erhöht werden.

Durch Veränderung von viralenKapsidproteinen oder durchmultimerisierende Proteine können größere Proteinpartikel erzeugt werden.^[5]

Verschiedene kleine Proteine (meist unter 200 Aminosäuren) werden als Gerüst zur Stabilisierung verwendet, z. B.Affibodies,Affimere,ankyrin repeat proteins (DARPins),Repebodies,Anticaline,Fibronectine und Kunitz-Proteindomänen.^[6][7]Cyclopeptide sind geschlossen ringförmige Peptide, die durch die Zyklisierung keine Enden aufweisen und eine größere biologische Halbwertszeit aufweisen. DurchVernetzung können Proteine stabilisiert werden, z. B. bei einerImmobilisierung. PerPeptidsynthese erzeugteβ-Peptide besitzen ein verlängertes Peptid-Rückgrat.

Durch Vernetzungsmittel können z. B. zwei Proteinein vitro aneinander gekoppelt werden.

Im Zuge einer Markierung können verschiedene Signalmoleküle an ein Protein gehängt werden.

Im beginnenden 21. Jahrhundert beschleunigte sich die Entwicklung des Proteindesigns durch den Einsatz dermolekularen Modellierung amComputer. Beispiele für diese Entwicklung umfassenstereoselektiveKatalysen,^[8] die Detektion vonIonen,^[9] undantivirale Eigenschaften.^[10]

Durch computergestützte Methoden wurde im Jahr 2003 eine neue, künstlicheProteinfaltung erzeugt (Top7),^[11] ebenso entstanden so auch Sensoren für unnatürliche Moleküle.^[12] Auch die Spezifität fürKofaktoren der Xylose-Reductase vonCandida boidinii wurde vonNADPH zuNADH geändert.^[13]

Dabei sind jedoch vermutlich nicht alle Proteinstrukturen per Proteindesign erhältlich, da mancheKonfigurationen undKonformationen sich aus sterischen Gründen nicht ausbilden können. Ebenso existieren Software-basierte Grenzen der Veränderungsmöglichkeiten.

• IPRO verändert die Proteine zur Erhöhung derAffinität zu einem Substrat oder Kofaktor.^[13] Dies wird durch mehrere zufällige Veränderungen des Proteinrückgrates im Bereich spezifischer Positionen zur Identifikation der niedrigsten Energiekombinationen der Rotamere und zur Bestimmung der Konfiguration mit der niedrigsten Energie bei einer gezielten Veränderung. Der iterative Herangehensweise erlaubt IPRO die additive Berechnung mehrerer Mutationen zur Optimierung der Substratspezifität oder Kofaktorbindung.
• EGAD: A Genetic Algorithm for protein Design.^[14] Ein kostenloses Softwarepaket zum Proteindesign und zur Voraussage der Effekte von Mutationen bezüglich der Proteinfaltung und der Affinität. EGAD bezieht auch parallel mehrere Strukturen beim Entwurf von Bindestellen oder fixierten Konformationen. Daneben können auch bewegliche Liganden mit oder ohne rotierenden Bindungen berechnet werden. EGAD kann auch mit mehreren Prozessoren verwendet werden.

• RosettaDesign. Ein Softwarepaket, das kostenlos für den akademischen Gebrauch ist.^[15][16][17] RosettaDesign ist über einen Webserver erhältlich.^[18]
• Sharpen ist eine Open-Source Bibliothek zum Proteindesign und zur Strukturvorhersage.^[19] SHARPEN bietet unterschiedliche kombinatorische Optimierungsmethoden (z. B. Monte Carlo, Simulated Annealing, FASTER^[20]) und bewertet die Proteine anhand des ‘’Rosetta all-atom force field" oder des ‘’molecular mechanics force fields’’ (OPLSaa). Daneben beinhaltet SHARPEN auch die Möglichkeit zur Berechnung mit mehreren Prozessoren.
• WHAT IF software. Eine Software zur Modellierung, zum Proteindesign, zur Validierung und zur Visualisierung von Proteinen.
• CheShift ist eine Software zur Validierung von Proteinstrukturen.
• Abalone ist eine Software zur Modellierung und Visualisierung.^[21]
• ProtDes ist eine Software zum Proteindesign, basierend auf dem ‘’CHARMM molecular mechanics package‘‘.^[22]

• Friedrich Lottspeich, Haralabos Zorbas:Bioanalytik. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1998,ISBN 978-3-8274-0041-3.
• Hubert Rehm, Thomas Letzel:Der Experimentator: Proteinbiochemie / Proteomics. 6. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2009,ISBN 978-3-8274-2312-2.
• E. Buxbaum:Fundamentals of Protein Structure and Function. Springer, New York 2007,ISBN 978-0-387-26352-6.
• P. Kaumaya:Protein Engineering. Intech, 2012,ISBN 978-953-510-037-9 (englisch);intechopen.com
• K. P. Murphy:Methods In Molecular Biology, Vol. 168: Protein Structure, Stability, And Folding. Humana, New Jersey 2001,ISBN 978-0-89603-682-6.
• T. Vo-Dinh:Methods in Molecular Biology, Vol. 300: Protein Nanotechnology, Protocols, Instrumentation, and Applications. Humana, New Jersey 2004,ISBN 978-1-58829-310-7.
• R. Guerois, M. de la Paz:Methods in Molecular Biology. Vol. 340:Protein Design. Humana, New Jersey 2006,ISBN 1-59745-116-9.
• K. Arndt, K. Muller:Methods in Molecular Biology. Vol. 352:Protein Engineering Protocols, Humana, New Jersey 2007.ISBN 978-1-58829-072-4.
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2. ↑S. Mueller, J. R. Coleman, E. Wimmer:Putting synthesis into biology: a viral view of genetic engineering through de novo gene and genome synthesis. In:Chemistry & biology. Band 16, Nummer 3, März 2009, S. 337–347,doi:10.1016/j.chembiol.2009.03.002,PMID 19318214,PMC 2728443 (freier Volltext).
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21. ↑Abalone. Abgerufen am 20. August 2012.
22. ↑PROTDES. Abgerufen am 20. August 2012.

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