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<title>Gerichtete Evolution</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Gerichtete Evolution</span></h1>

</header>

</div>

<div id="mw-content-text" class="mw-body-content mw-content-ltr" lang="de" dir="ltr"><div class="mw-content-ltr mw-parser-output" lang="de" dir="ltr"><p>Als <b>gerichtete Evolution</b> (<span style="font-style:normal;font-weight:normal"><a href="Englische_Sprache" title="Englische Sprache">englisch</a></span> <span lang="en-Latn" style="font-style:italic">directed evolution</span>) bezeichnet man in der Biochemie die Optimierung und Veränderung von <a href="Protein" title="Protein">Proteinen</a> (darunter <a href="Enzym" title="Enzym">Enzyme</a>) und <a href="Nukleins%C3%A4ure" class="mw-redirect" title="Nukleinsäure">Nukleinsäuren</a> durch Nachahmung der natürlichen <a href="Selektion_(Evolution)" title="Selektion (Evolution)">Selektion</a> in einem beschleunigten Verfahren. Durch gerichtete Evolution können mittels einer <a href="Mutagenese" title="Mutagenese">Mutagenese</a> und nachfolgender <a href="Selektion_(Evolution)" title="Selektion (Evolution)">Selektion</a> <a href="Mutation" title="Mutation">Mutanten</a> mit verbesserten Eigenschaften identifiziert werden.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Sie ist eine Methode des <a href="Protein-Engineering" title="Protein-Engineering">Protein-Engineerings</a> und findet vor allem in der <a href="Wei%C3%9Fe_Biotechnologie" class="mw-redirect" title="Weiße Biotechnologie">weißen Biotechnologie</a> und der <a href="Biokatalyse" title="Biokatalyse">Biokatalyse</a> Anwendung. Für „die gerichtete Evolution von Enzymen“ erhielt <a href="Frances_Arnold" class="mw-redirect" title="Frances Arnold">Frances Arnold</a> im Jahr 2018 den <a href="Nobelpreis_f%C3%BCr_Chemie" title="Nobelpreis für Chemie">Nobelpreis für Chemie</a>.<sup id="cite_ref-Voskarides_2-0" class="reference"><a href="#cite_note-Voskarides-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Prinzip">Prinzip</h2></div>

<p>Frances H. Arnold prägte das erste Gesetz der zufälligen Mutation und Selektion: „You get what you screen for“ („Man erhält (nur), wonach man sucht“).<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Die richtige Wahl der <a href="Fitness_(Biologie)" title="Fitness (Biologie)">Fitnessfunktion</a> 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 <a href="S%C3%A4ttigungsmutagenese" title="Sättigungsmutagenese">Sättigungsmutagenese</a>.<sup id="cite_ref-Voskarides_2-1" class="reference"><a href="#cite_note-Voskarides-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die zufallsbasierte Mutagenese wird meist mit <a href="Polymerase-Kettenreaktion" title="Polymerase-Kettenreaktion">PCR</a>-basierten Methoden wie der <i>error-prone-PCR</i> durchgeführt. Daneben gibt es auch <a href="Rekombination_(Genetik)" title="Rekombination (Genetik)">rekombinative</a> Methoden wie DNA-Shuffling, Structure-Based Combinatorial Protein Engineering (SCOPE) oder <a href="Random_Chimeragenesis_on_Transient_Templates" title="Random Chimeragenesis on Transient Templates">RACHITT</a>, bei dem ein <a href="Chim%C3%A4re_(Genetik)" title="Chimäre (Genetik)">chimäres</a> Gen aus zwei oder mehr verwandten Genen erzeugt wird.

</p><p>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 <a href="Aktives_Zentrum" title="Aktives Zentrum">aktiven Zentrums</a> des Enzyms liegen. Die gerichtete Evolution trägt so viel zum Verständnis der Wirkungsweise von Enzymen bei.

</p><p>Während beim rationalen <a href="Proteindesign" title="Proteindesign">Proteindesign</a>, also dem Verändern eines <a href="Protein" title="Protein">Proteins</a> durch gezielte Einführung von Mutationen in sein <a href="Gen" title="Gen">Gen</a>, eine genaue Kenntnis der Struktur des Proteins und seines Wirkungsmechanismus (bei <a href="Enzym" title="Enzym">Enzymen</a> der <a href="Reaktionsmechanismus" title="Reaktionsmechanismus">Reaktionsmechanismus</a>) 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 <a href="Regioselektivit%C3%A4t" title="Regioselektivität">Regioselektivität</a>, <a href="Chemoselektivit%C3%A4t" title="Chemoselektivität">Chemoselektivität</a> und <a href="Enantioselektivit%C3%A4t" title="Enantioselektivität">Enantioselektivität</a> von Enzymen sowie der <a href="Substratspezifit%C3%A4t" class="mw-redirect" title="Substratspezifität">Substratspezifität</a>, insbesondere gegenüber unnatürlichen <a href="Substrat_(Biochemie)" title="Substrat (Biochemie)">Substraten</a>. Die gerichtete Evolution der Nukleinsäuren wird vor allem in der <a href="Aptamer" title="Aptamer">Aptamer</a>-Technologie (<a href="SELEX" title="SELEX">SELEX</a>) und für die Optimierung von <a href="Ribozym" title="Ribozym">Ribozymen</a> eingesetzt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Flussdiagramm">Flussdiagramm</h2></div>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Anwendung">Anwendung</h2></div>

<p>Die <a href="Tre-Rekombinase" title="Tre-Rekombinase">Tre-Rekombinase</a> wurde durch gerichtete Evolution erzeugt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li><a href="Frances_Arnold" class="mw-redirect" title="Frances Arnold">F. H. Arnold</a>: <i>Directed Evolution: Bringing New Chemistry to Life.</i> In: <i>Angewandte Chemie.</i> Band 57, Nummer 16, 04 2018, S. 4143–4148, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1002/anie.201708408">10.1002/anie.201708408</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29064156?dopt=Abstract">PMID 29064156</a>, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5901037/">PMC 5901037</a> (freier Volltext).</li>

<li>L. Yuan, I. Kurek u. a.: <i>Laboratory-directed protein evolution.</i> In: <i>Microbiology and molecular biology reviews : MMBR.</i> Band 69, Nummer 3, September 2005, S. 373–392, <span class="-print"><a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%221092-2172%22&key=cql">1092-2172</a></span></span>. <a href="https://doi.org/10.1128/MMBR.69.3.373-392.2005" class="extiw external" title="doi:10.1128/MMBR.69.3.373-392.2005">doi:10.1128/MMBR.69.3.373-392.2005</a>. <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16148303?dopt=Abstract">PMID 16148303</a>. <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1197809/">PMC 1197809</a> (freier Volltext).</li>

<li>S. J. Hendel, M. D. Shoulders: <i>Directed evolution in mammalian cells.</i> In: <i>Nature methods.</i> Band 18, Nummer 4, 04 2021, S. 346–357, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1038/s41592-021-01090-x">10.1038/s41592-021-01090-x</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/33828274?dopt=Abstract">PMID 33828274</a>, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8063495/">PMC 8063495</a> (freier Volltext).</li>

<li>F. K. Tamaki: <i>Directed evolution of enzymes.</i> In: <i>Emerging topics in life sciences.</i> Band 4, Nummer 2, 09 2020, S. 119–127, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1042/ETLS20200047">10.1042/ETLS20200047</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32893862?dopt=Abstract">PMID 32893862</a>.</li>

<li>C. Zeymer, D. Hilvert: <i>Directed Evolution of Protein Catalysts.</i> In: <i>Annual review of biochemistry.</i> Band 87, 06 2018, S. 131–157, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-062917-012034">10.1146/annurev-biochem-062917-012034</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29494241?dopt=Abstract">PMID 29494241</a>.</li>

<li>S. R. Nirantar: <i>Directed Evolution Methods for Enzyme Engineering.</i> In: <i>Molecules.</i> Band 26, Nummer 18, September 2021, S. , <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.3390/molecules26185599">10.3390/molecules26185599</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/34577070?dopt=Abstract">PMID 34577070</a>, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8470892/">PMC 8470892</a> (freier Volltext).</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<ul><li>the Hilvert Lab: „<a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.protein.ethz.ch/research/directed-evolution.html">Directed Evolution</a>“, <a href="ETH_Z%C3%BCrich" title="ETH Zürich">ETH Zürich</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">Stefan Lutz: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Beyond directed evolution—semi-rational protein engineering and design</cite>. In: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Current Opinion in Biotechnology</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>21</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>6</span>, Dezember 2010, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>734–743</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1016/j.copbio.2010.08.011">10.1016/j.copbio.2010.08.011</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20869867?dopt=Abstract">PMID 20869867</a> (englisch, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0958166910001540">elsevier.com</a> [abgerufen am 5. Juni 2019]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Gerichtete+Evolution&rft.atitle=Beyond+directed+evolution%E2%80%94semi-rational+protein+engineering+and+design&rft.au=Stefan+Lutz&rft.date=2010-12&rft.doi=10.1016%2Fj.copbio.2010.08.011&rft.genre=journal&rft.issue=6&rft.jtitle=Current+Opinion+in+Biotechnology&rft.pages=734-743&rft.pmid=20869867&rft.volume=21" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-Voskarides-2"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-Voskarides_2-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-Voskarides_2-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text">K. Voskarides: <i>Directed Evolution. The Legacy of a Nobel Prize.</i> In: <i>Journal of molecular evolution.</i> Band 89, Nummer 3, 04 2021, S. 189–191, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1007/s00239-020-09972-y">10.1007/s00239-020-09972-y</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/33184672?dopt=Abstract">PMID 33184672</a>.</span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite">Frances H. Arnold: <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2018/summary/"><i>The Nobel Prize in Chemistry 2018.</i></a> In: <i>nobelprize.org.</i> 11. Februar 2022,<span class="Abrufdatum"> abgerufen am 12. Februar 2022</span> (englisch).</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AGerichtete+Evolution&rft.title=The+Nobel+Prize+in+Chemistry+2018&rft.description=The+Nobel+Prize+in+Chemistry+2018&rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww.nobelprize.org%2Fprizes%2Fchemistry%2F2018%2Fsummary%2F&rft.creator=Frances+H.+Arnold&rft.date=2022-02-11&rft.language=en"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text">Frances H. Arnold: <style data-mw-deduplicate="TemplateStyles:r261891140">

/* start https://de.wikipedia.org/ */

.mw-parser-output .webarchiv-memento a{color:inherit}

/* end https://de.wikipedia.org/ */

</style><a rel="nofollow" class="external text" href="https://web.archive.org/web/20190728055721/http://www.che.caltech.edu/groups/fha/publications/Arnold_ACR_1998.pdf"><i>Design by directed evolution.</i></a> (<span class="webarchiv-memento"><a href="Webarchivierung#Begrifflichkeiten" title="Webarchivierung">Memento</a></span> vom 28. Juli 2019 im <i><a href="Internet_Archive" title="Internet Archive">Internet Archive</a></i>) Acc. Chem. Res. (1998), Band 31, S. 125–131.</span>

</li>

</ol>

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Normdaten (Sachbegriff): <a href="Gemeinsame_Normdatei" title="Gemeinsame Normdatei">GND</a>: <span class="-print"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://d-nb.info/gnd/4820306-3">4820306-3</a></span> </div>

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Dieser Artikel wurde von <a class="external text" title="Zuletzt bearbeitet am 2025-12-03" href="https://de.wikipedia.org/wiki/?title=Gerichtete_Evolution&oldid=262090699">Wikipedia</a> herausgegeben. Der Text ist unter <a class="external text" href="https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.de">Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0</a> verfügbar, sofern nicht anders angegeben. Für die Mediendateien können zusätzliche Bedingungen gelten.

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