Kombination von Computerdesign und molekularer Evolution zur Entwicklung von RNA-Aptameren, die gegen TetR- und GntR-Familienmitglieder von bakteriellen Repressoren gerichtet sind

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Yves André Muller; Professorin Dr. Beatrix Süß
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491295859

Nicht-kodierende RNAs sind wichtige Regulatoren der Genexpression in allen Domänen des Lebens. Deshalb spielen RNA-Moleküle auch in der synthetischen Biologie eine immer wichtigere Rolle. Kleine regulatorische RNAs, Riboswitche und Ribozyme werden zunehmend häufig als regulatorische Elemente in synthetischen genetischen Schaltkreisen eingesetzt. RNA-Moleküle, die ein Zielmolekül mit außergewöhnlicher Affinität und Spezifität erkennen, können de novo durch den SELEX Prozess in vitro selektiert werden (Systematische Evolution von Liganden durch exponentielle Anreicherung). Diese sogenannten Aptamere können, ähnlich wie Antikörper, definierte dreidimensionale Strukturen wie Bindetaschen und Interaktionsflächen ausbilden.Die Gruppe der Antragstellerin Beatrix Suess hat ein RNA-Aptamer selektiert und charakterisiert, das das bakterielle Repressorprotein TetR binden und mit dessen DNA-Bindung konkurrieren kann. Dieses Aptamer kann zur gezielten Kontrolle der Genexpression eingesetzt werden - zum Beispiel für die Regulation des Spleißens. Die beiden Antragsteller Suess und Muller bündelten ihre Expertise und lösten die Kristallstruktur des TetR-RNA-Aptamer-Komplexes. Sie konnten die Interaktion zwischen TetR und RNA-Aptamer vergleichend mit dem TetR-Operator-DNA-Komplex mittels Mutagenese, Größenausschluss-Chromatographie, Gelverzögerungsexperimenten und Titrationskalorimetrie umfassend charakterisieren (Grau et al., 2020, NAR, PMID: 32052019).In dem vorliegenden Antrag wollen die Antragsteller das synergistische Potenzial zweier sich komplementierender Ansätze für das Design neuartiger RNA-Aptamere ausnutzen. Hierbei soll computergestütztes Design mit Methoden der molekularen Evolution kombiniert werden. Als Zielproteine werden dabei bakterielle Repressoren der TetR- und der GntR/HutC-Familie fungieren. Die Antragsteller haben diese Repressor-Familien in der Vergangenheit ausgiebig untersucht. Darüber hinaus sollen derzeit verfügbare Computerwerkzeuge erweitert werden, um das gezielte Design von RNA- wie auch von DNA-Protein-Interaktionsflächen zu ermöglichen. Die Eigenschaften der funktionellen und strukturellen Bindeepitope werden in den neuen RNA-Aptamer-Repressor-Komplexen im Detail charakterisiert und mit denen der natürlichen Operator-DNA-Repressor-Komplexe verglichen werden. In ersten Experimenten soll zusätzlich das Potential dieser neuartigen RNA-Aptamer-Repressor-Paare als neue regulatorische Werkzeuge in der synthetischen Biologie erkundet werden.Der vorgeschlagene kombinierte Ansatz verspricht die erfolgreiche Entwicklung neuer effizienter RNA-Elemente für den Aufbau synthetischer Schaltkreise. Gleichzeitig wird der synergistische Ansatz neue Möglichkeiten für das erfolgreiche Design von Protein-RNA- oder sogar Protein-DNA-Komplexen eröffnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen