Evolutionary Methods inBiotechnology

Clever Tricks forDirected Evolution.Herausgegebenvon Susanne Brak-mann und AndreasSchwienhorst.Wiley-VCH, Wein-heim 2004. 214 S.,geb., 129.00 E.—ISBN 3-527-30799-0

Derzeit besteht ein zunehmendes Inte-resse an neuen industriellen Enzymen,die Prozesse unter den verschiedenstenReaktionsbedingungen katalysierenk�nnen. Gefragt sind z.B. langzeitstabi-le und langzeitaktive Enzyme, oder abersolche, die in nichtw�ssrigen Medienaktiv sind oder Umsetzungen nichtna-t�rlicher Substrate effizient katalysie-ren. Ein „rationales“ Design durch orts-gerichtete Mutagenese erfordert zumeinen die Kenntnis der dreidimensiona-len Proteinstruktur, zum anderen mussvorauszusehen sein, ob der Austauscheiner Aminos�ure den gew�nschtenEffekt bewirkt. Trotz zahlreicher Studi-en zur Proteinfaltung und den kineti-schen Eigenschaften von Proteinen gibtes keine allgemeine Vorgehensweisef�r ein erfolgreiches De-novo-Protein-design oder eine rationale Ab�nderungder Substratspezifit�t. F. H. Arnold kon-statierte in diesem Sinne, dass derAnsatz, „Methoden des rationalen De-signs zur Gewinnung nutzbringenderProteine einzusetzen, kl�glich gescheitertist.“

In den 80er Jahren kamen neben der„rationalen“ Vorgehensweise andereMethoden des Proteindesigns auf. Manbegann sich an der nat�rlichen Evoluti-

on zu orientieren, die durch Mutationeine große Zahl von Abarten hervor-bringt und durch Auslese die tauglichsteselektiert. Der darwinistische Evoluti-onsprozess kann im Labor mit Standard-methoden der Molekularbiologie wieMutation/Rekombination und Scree-ning/Selektion nachgeahmt werden.Mit solchen Methoden der „gerichtetenEvolution“ lassen sich Biomolek�le wieEnzyme mit neuen Eigenschaftenschnell und direkt zug�nglich machen.Ein Verst�ndnis der komplexen Struk-tur-Aktivit�ts-Beziehungen oder dieKenntnis der Enzymstruktur und deskatalytischen Mechanismus ist nichtnotwendig.

Vor diesem Hintergrund kam derErfolg des von Kai Johnsson und Susan-ne Brakmann 2002 herausgegebenenBuchs Directed Evolution of Proteins(Wiley-VCH), in dem neben Technikender gerichteten Evolution die Erzeu-gung und Charakterisierung von Gen-bibliotheken, Hochdurchsatz-Screeningund hybride rechnergest�tzte Optimie-rungsstrategien beschrieben werden,nicht �berraschend. Dem nun vorliegen-den Nachfolgewerk Evolutionary Me-thods in Biotechnology d�rfte ohneZweifel �hnlicher Erfolg beschiedensein, und das zurecht. Das Buch enth�lteine vollst�ndige Sammlung allerSchl�sselmethoden der gerichtetenEvolution, die derzeit in der Forschungangewendet werden. Die Verfahrenwerden Schritt f�r Schritt beschrieben,erg�nzt durch zahlreiche Tipps undTricks („Troubleshooting“) zu den Ex-perimenten. Die Angaben sind f�r Neu-linge auf dem Gebiet ebenso n�tzlichwie f�r erfahrene Forscher. In Anbe-tracht der raschen Verbreitung der Me-thoden der gerichteten Evolution inder Biotechnologie kommt dieses Buchgenau zur rechten Zeit.

Evolutionary Methods in Biotechno-logy ist, wie die Herausgeber in der Ein-f�hrung feststellen, als „Kochbuch“konzipiert, das detaillierte „Rezepte“f�r gerichtete evolution�re Experimen-te bereitstellt. Da Methoden der gerich-teten Evolution in zahlreichen For-schungsbereichen verwendet werden,ist es naheliegenderweise nicht einfach,in einem Multiautorenwerk begrenztenUmfangs alle Interessen hinl�nglich zuber�cksichtigen. Folglich werden einigeThemen ausgelassen, z. B. die Anwen-

dung der gerichteten Evolution in derBotanik (etwa zur Erzeugung von Insek-ten- und Herbizidtoleranz oder zurKrankheitsbek�mpfung), bei Scree-ning-Techniken als Methode zur Gewin-nung von wirksameren Impfstoffen undTherapeutika mit therapeutischen Kurz-zeit- oder Langzeiteffekten oder beimScreening von Proteinbibliotheken aufl�sliche Varianten. Diese und verwandteThemen, die zweifellos f�r eine breiteLeserschaft von großem Interesse sind,k�nnten in k�nftigen Ausgaben ihrenPlatz finden.

Das Buch l�sst sich in vier Themen-bereiche einteilen: Erzeugung von Gen-bibliotheken, Selektions- und Scree-ning-Techniken, rechnergest�tzte Me-thoden und Patentierung in der Biotech-nologie. Das der Einf�hrung folgendeKapitel 2 von S. Brakmann und B. F.Lindemann enth�lt eine kurze allgemei-ne Zusammenfassung einfacher Anlei-tungen zur Erzeugung molekularer Di-versit�t durch Zufallsmutagenese odergezielt erzeugte Mutantenst�mme. Im3. Kapitel besch�ftigen sich H. Suenaga,M. Goto und K. Furukawa mit Metho-den des DNA-Shufflings zur Erzeugungvon Diversit�t durch DNA-Rekombina-tion aus Einzelgenen, w�hrend M. Nin-kovic im 4. Kapitel die verbreiteteStEP-Variante mit ihrem einfachen Ex-perimentalprotokoll vorstellt.

Die Kapitel 5 und 6 behandeln aktu-elle Entwicklungen bei Selektions- undScreening-Techniken. Zun�chst be-schreiben T. M. Adams, H. U. Schmoldtund H. Kolmar die Methode des FACS-Screenings von kombinatorischenPeptid- und Proteinbibliotheken anOberfl�chen von Mikroorganismenzel-len, wodurch große Molek�lsammlun-gen (normalerweise mehr als 1010) ge-rastert werden k�nnen, und im An-schluss stellt P. Soumillion Phagen-Dis-play-Techniken unter Verwendung vonSuizidsubstraten vor.

Methoden und Anleitungen zumScreening und zur Selektion von Selek-tionsaptameren, d.h. targetbindendenNucleins�uren, finden sich in Kapitel 7von H. Fickert, H. Betat und U. Hahn.In Kapitel 8 beschreiben B. J. Holleyund B. E. Eaton die Selektion vonRNA-Katalysatoren mit bestimmtenFunktionen aus einem großen Pool vonZufallssequenzen.

AngewandteChemieB�cher

3715Angew. Chem. 2005, 117, 3715 – 3717 www.angewandte.de � 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Nat�rliche, aus der biologischenEvolution hervorgegangene Enzymekatalysieren eine bestimmte Reaktionin der Regel hoch spezifisch und enan-tioselektiv. Sie sind optimal an ihre phy-siologische Aufgabe angepasst, f�r in-dustrielle Prozesse aber hinsichtlich Ak-tivit�t und Stabilit�t oft kaum geeignet.M. T. Reetz berichtet in Kapitel 9 �berHochdurchsatz-Methoden zum Designvon Enzymen mit maßgeschneiderterEnantioselektivit�t f�r Anwendungenin der industriellen Produktion.

In Kapitel 10 pr�sentieren D. To-mandl und A. Schwienhorst ein Compu-terprogramm, das einen gew�nschtenTargetsatz von Aminos�uren „zur�ck-�bersetzt“ und dazu dient, Molek�lemit gew�nschten Eigenschaften ingroßen Substanzbibliotheken zu identi-fizieren. Dem Buch liegt eine CD-ROM mit Erg�nzungsmaterial zu dencomputerorientierten Kapiteln 10–12bei.

Ein wichtiger Aspekt in der Biotech-nologie ist die Kommerzialisierung derdurch gerichtete Evolution synthetisier-ten Enzyme, Proteine und katalytischaktiven Biomolek�le, weshalb indiesem Forschungsbereich der Patent-schutz von Methoden und Materialieneine große Rolle spielt. Vor diesem Hin-tergrund ist die Aufnahme des Kapi-tel 13 (M. Leimk�hler und H. W.Meyers), das die Grundz�ge des Patent-rechts erl�utert und praktische Hinwei-se zur Patentierung gibt, sehr zu begr�-ßen.

Fazit: Evolutionary Methods in Bio-technology ist gleichermaßen ein �ber-aus praktisches Handbuch, ein „musthave“ f�r Wissenschaftler, die sich mitder gerichteten Evolution von Proteinenbesch�ftigen, und ein methodenorien-tiertes „Kochbuch“ von h�chster Quali-t�t.

Nediljko BudisaJunior Research Group„Molecular Biotechnology“Max-Planck-Institut f�r BiochemieMartinsried

DOI: 10.1002/ange.200285223

Chemistry and Technology ofFlavors and Fragrances

Herausgegebenvon David J. Rowe.Blackwell, Oxford2005. 352 S., geb.,95.00 £.—ISBN1-4051-1450-9

Die Vergabe des Nobelpreises f�r Phy-siologie oder Medizin 2004 an RichardAxel und Linda Buck f�r Entdeckungenim Bereich der Geruchsrezeptoren undder Organisation des Geruchssinns istein perfekter Zeitpunkt, um ein Buch�ber die Chemie und Technologie vonGeschmacks- und Geruchsstoffen zuver�ffentlichen. Dies gilt umso mehr,als es die Absicht des Buches ist, eineallgemeine Einf�hrung in die Chemieder Aromastoffe zu geben und sich anLeser zu wenden, die weniger gut mitdem Gebiet vertraut sind, wie etwa Stu-denten oder Wissenschaftler aus ande-ren Industriezweigen. Die Monographieumfasst 13 Kapitel unterschiedlicherAutoren – und auch recht unterschiedli-cher inhaltlicher Qualit�t –, die jeweilsspezielle Aspekte der Parf�m- und Aro-menindustrie abdecken.

Die Organisation des Buches basiertim Wesentlichen auf Molek�lstruktu-ren, weshalb es grundlegende Kenntnis-se in organischer Chemie voraussetzt.Ein eher allgemein gehaltenes Kapitel(Kapitel 4) umfasst Aromachemikalien,die aus Kohlenstoff, Wasserstoff undSauerstoff zusammengesetzt sind, wasf�r fast alle Verbindungen in derParf�m- und Aromenindustrie zutrifft.Die Verbindungen sind nach funktionel-len Gruppen geordnet, mit kurzen An-gaben zu ihrem Ursprung und ihrer Her-stellung, einigen Geruchseigenschaften,ihrer Verwendung sowie m�glichen Pro-blemen. Zus�tzliche Literaturangabenf�r eine vertiefende Lekt�re h�ttendiese �bersicht sinnvoll erg�nzenk�nnen.

Neben der Einteilung von Verbin-dungen nach ihren chemischen Funktio-nen werden Aromastoffe oft auch in Fa-milien mit �hnlichen Geruchseigen-

schaften geordnet. Ein gutes Beispielsind die Moschusverbindungen, die di-daktisch gut aufbereitet in Kapitel 7 be-schrieben sind. Die Strukturen werdenin ihrem historischen Zusammenhangdargestellt, und die Entwicklung neuerGebiete wird aufgezeigt. Die Erw�h-nung einiger Parf�mmarken, in denentypische Moschusverbindungen enthal-ten sind, stellt den Bezug zur Feinparf�-merie her. Ebenfalls in Kapitel 7 werdenAns�tze zum rationalen Design von Ge-ruchsstoffen anhand von Struktur-Akti-vit�ts-Beziehungen vorgestellt. Eineandere Strategie zum Design von Par-f�mstoffen anhand von Schwingungs-spektren wird in Kapitel 11 diskutiert,wobei anzumerken ist, dass diese He-rangehensweise nicht dem heutigenKenntnisstand der Chemorezeption ge-recht wird, deren Bedeutung geradedurch die Nobelpreisvergabe an Axelund Buck unterstrichen wurde.

Ein besonderer Schwerpunkt derMonographie sind Geschmacksstoffe,die in einer Reihe von Kapiteln, unteranderem �ber Schwefelverbindungenund Pyrazine, behandelt werden. Kapi-tel 3 gibt z.B. einen �berblick �ber dieBildung von Geschmacksstoffen imEssen, etwa beim Kochen oder bei G�-rungsprozessen. Die Vielzahl der ange-gebenen Literaturzitate macht diesesKapitel zu einem guten Ausgangspunktf�r weiterf�hrende Lekt�re. Kapitel 6behandelt die Chemie von Schwefelver-bindungen, wobei Vorteile und Proble-me einer Reihe von Schl�sselreaktionenanhand einiger gut ausgew�hlter Bei-spiele gegeneinander abgewogenwerden. Kapitel 8 schildert schließlichdie wichtigsten Prozesse, die die Grund-lage f�r die Bildung nat�rlicher Ge-schmacksstoffe bilden, und gibt zahlrei-che Beispiele.

Kapitel 9 widmet sich den ThemenGeschmack und Geschmacksempfin-dungen (z. B. Prickeln, Erfrischen, Bit-terkeit, Astringenz) sowie dem Zusam-menspiel von Molek�len mit Rezepto-ren, die ein biologisches Signal aussen-den. Dieses vor allem auf der Molek�l-struktur beruhende Kapitel ist aus demBlickwinkel der organischen Chemie ge-schrieben und dient als eine gute Ein-f�hrung in das Thema, obwohl das Kon-zept der Zungenkarte inzwischen �ber-holt ist.

B�cher

3716 � 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.angewandte.de Angew. Chem. 2005, 117, 3715 – 3717