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Als '''gerichtete Evolution''' ({{enS|directed evolution}}) bezeichnet man in der Biochemie die Optimierung und Veränderung von [[Protein]]en (darunter [[Enzym]]e) und [[Nukleinsäure]]n durch Nachahmung der natürlichen [[Selektion (Evolution)|Selektion]] in einem beschleunigten Verfahren. Durch gerichtete Evolution können mittels einer [[Mutagenese]] und nachfolgender [[Selektion (Evolution)|Selektion]] [[Mutation|Mutanten]] mit verbesserten Eigenschaften identifiziert werden.<ref>{{Literatur |Autor=Stefan Lutz |Titel=Beyond directed evolution—semi-rational protein engineering and design |Sammelwerk=Current Opinion in Biotechnology |Band=21 |Nummer=6 |Datum=2010-12 |Seiten=734–743 |Sprache=en |Online=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0958166910001540 |Abruf=2019-06-05 |DOI=10.1016/j.copbio.2010.08.011 |PMID=20869867}}</ref> Sie ist eine Methode des [[Protein-Engineering]]s und findet vor allem in der [[Weiße Biotechnologie|weißen Biotechnologie]] und der [[Biokatalyse]] Anwendung. Für „die gerichtete Evolution von Enzymen“ erhielt [[Frances Arnold]] im Jahr 2018 den [[Nobelpreis für Chemie]].<ref name="Voskarides">K. Voskarides: ''Directed Evolution. The Legacy of a Nobel Prize.'' In: ''Journal of molecular evolution.'' Band 89, Nummer 3, 04 2021, S. 189–191, {{DOI|10.1007/s00239-020-09972-y}}, PMID 33184672.</ref><ref>{{Internetquelle|autor=Frances H. Arnold |url=https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/ |titel=The Nobel Prize in Chemistry 2018 |werk=nobelprize.org | sprache=en |datum=2022-02-11 |abruf=2022-02-12}}</ref>

== Prinzip ==
Frances H. Arnold prägte das erste Gesetz der zufälligen Mutation und Selektion: „You get what you screen for“ („Man erhält (nur), wonach man sucht“).<ref>Frances H. Arnold: {{Webarchiv |url=http://www.che.caltech.edu/groups/fha/publications/Arnold_ACR_1998.pdf |text=''Design by directed evolution.'' |wayback=20190728055721 |archiv-bot=}} Acc. Chem. Res. (1998), Band 31, S. 125–131.</ref> Die richtige Wahl der [[Fitness (Biologie)|Fitnessfunktion]] ist entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution. Prinzipiell gibt es zwei Methoden zur Mutagenese: die zufällige Mutagenese und die von Arnold und Miyazaki verwendete [[Sättigungsmutagenese]].<ref name="Voskarides" />

Die zufallsbasierte Mutagenese wird meist mit [[Polymerase-Kettenreaktion|PCR]]-basierten Methoden wie der ''error-prone-PCR'' durchgeführt. Daneben gibt es auch [[Rekombination (Genetik)|rekombinative]] Methoden wie [[DNA-Shuffling]], Structure-Based Combinatorial Protein Engineering (SCOPE) oder [[Random Chimeragenesis on Transient Templates|RACHITT]], bei dem ein [[Chimäre (Genetik)|chimäres]] Gen aus zwei oder mehr verwandten Genen erzeugt wird.

Entscheidend für den Erfolg der gerichteten Evolution ist die Identifizierung von verbesserten Mutanten des Proteins. Oftmals erbringt die Analyse von erfolgreichen Mutanten überraschende Ergebnisse wie Mutationen, welche die Aktivität des Enzyms entscheidend beeinflussen, obwohl sie sehr weit außerhalb des [[Aktives Zentrum|aktiven Zentrums]] des Enzyms liegen. Die gerichtete Evolution trägt so viel zum Verständnis der Wirkungsweise von Enzymen bei.

Während beim rationalen [[Proteindesign]], also dem Verändern eines [[Protein]]s durch gezielte Einführung von Mutationen in sein [[Gen]], eine genaue Kenntnis der Struktur des Proteins und seines Wirkungsmechanismus (bei [[Enzym]]en der [[Reaktionsmechanismus]]) notwendig ist, ist für die gerichtete Evolution lediglich eine Selektion der gesuchten Mutanten erforderlich. Für Eigenschaften von Enzymen wie der Lösemittel- oder der Temperaturstabilität, deren molekulare Ursachen noch nicht ausreichend verstanden sind, ist daher die gerichtete Evolution das Mittel der Wahl. Weitere Anwendungen sind die Änderung der [[Regioselektivität]], [[Chemoselektivität]] und [[Enantioselektivität]] von Enzymen sowie der [[Substratspezifität]], insbesondere gegenüber unnatürlichen [[Substrat (Biochemie)|Substraten]]. Die gerichtete Evolution der Nukleinsäuren wird vor allem in der [[Aptamer]]-Technologie ([[SELEX]]) und für die Optimierung von [[Ribozym]]en eingesetzt.

== Flussdiagramm ==
[[Datei:gerichtete evolution schema.png|mini|links|hochkant=3]]
<div style="clear:both;"></div>

== Anwendung ==
Die [[Tre-Rekombinase]] wurde durch gerichtete Evolution erzeugt.

== Literatur ==
* [[Frances Arnold|F. H. Arnold]]: ''Directed Evolution: Bringing New Chemistry to Life.'' In: ''Angewandte Chemie.'' Band 57, Nummer 16, 04 2018, S. 4143–4148, {{DOI|10.1002/anie.201708408}}, PMID 29064156, {{PMC|5901037}}.
* L. Yuan, I. Kurek u. a.: ''Laboratory-directed protein evolution.'' In: ''Microbiology and molecular biology reviews : MMBR.'' Band 69, Nummer 3, September 2005, S. 373–392, {{ISSN|1092-2172}}. [[doi:10.1128/MMBR.69.3.373-392.2005]]. PMID 16148303. {{PMC|1197809}}.
* S. J. Hendel, M. D. Shoulders: ''Directed evolution in mammalian cells.'' In: ''Nature methods.'' Band 18, Nummer 4, 04 2021, S. 346–357, {{DOI|10.1038/s41592-021-01090-x}}, PMID 33828274, {{PMC|8063495}}.
* F. K. Tamaki: ''Directed evolution of enzymes.'' In: ''Emerging topics in life sciences.'' Band 4, Nummer 2, 09 2020, S. 119–127, {{DOI|10.1042/ETLS20200047}}, PMID 32893862.
* C. Zeymer, D. Hilvert: ''Directed Evolution of Protein Catalysts.'' In: ''Annual review of biochemistry.'' Band 87, 06 2018, S. 131–157, {{DOI|10.1146/annurev-biochem-062917-012034}}, PMID 29494241.
* S. R. Nirantar: ''Directed Evolution Methods for Enzyme Engineering.'' In: ''Molecules.'' Band 26, Nummer 18, September 2021, {{DOI|10.3390/molecules26185599}}, PMID 34577070, {{PMC|8470892}}.

== Weblinks ==
* the Hilvert Lab: „[http://www.protein.ethz.ch/research/directed-evolution.html Directed Evolution]“, [[ETH Zürich]]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4820306-3}}

[[Kategorie:Biotechnologie]]
[[Kategorie:Biochemische Methode]]

Gerichtete Evolution - Versionsgeschichte

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