L’ingénierie des protéines fonctionnelles est un processus d’amélioration des propriétés physiques ou catalytiques d’enzyme au travers d’approches rationnelles et d'évolution dirigée, aussi bien que la combinaison des deux méthodes. Malgré le progrès de la modélisation moléculaire des protéines, les méthodes de prédiction restent aléatoires et un grand nombre de variantes restent à tester. De ce fait, le développement et l’utilisation d’un système de criblage d’activité de protéines à très haut débit, comme la microfluidique en gouttes, est indispensable. Cette thèse de doctorat présente trois projets d’évolution dirigée de protéines en trois approches différentes avec expression d’enzyme in vitro et in vivo. Les plateformes microfluidiques ont été développées et validées pour chaque projet. De plus, plusieurs banques de variants ont été criblées avec, dans certains cas, isolement de molécules 5-10 fois que le clone parental. / This work describes the development of high-throughput droplet microfluidic platforms fine-tuned for protein of interest and their employment in directed evolution experiments. When not available, fluorogenic assay for monitoring desired enzyme activity (-ies) in droplets was developed. Moreover, the in vivo expression allowed the successive integration of microfluidic modules on the same chip. After a couple of evolution rounds the initial retro-aldolase variant was significantly improved. In other project, to meet industrial requirements a high-throughput screening platform for protease evolution in detergent has been assembled and validated. Two evolution rounds showed the accumulation of a certain pool of beneficial mutations over the selection rounds. The research described in this work highlighted that in vitro expression systems are sensitive to the amount of supplied DNA and reaction conditions. This observation led to the development of a multistep completely in vitro microfluidic platform.

Abstract The aim of this PhD-study was to better understand the structure-function relationship of triosephosphate isomerase (TIM) and to use this expertise to change its substrate specificity. TIM is an important enzyme of the glycolytic pathway which catalyzes the interconversion of D-glyceraldehyde phosphate (D-GAP) and dihydroxyacetone phosphate (DHAP). Two main subjects are discussed: the engineering of monomeric TIM to create new substrate specificity and the structure-function relationship studies of the catalytically important mobile loop6. The starting point for the protein engineering project was the monomeric ml8bTIM, with an extended binding pocket between loop7 and loop8. Rational protein engineering efforts have resulted in a new variant called A-TIM that can competently bind wild type transition state analogues. A-TIM was also able to bind citrate, a compound that the wild type TIM does not bind. This A-TIM citrate complex structure is a good starting point for future protein engineering efforts. Based on the assumption that it would be beneficial for the monomeric forms of TIM to have loop6 closed permanently to increase the population of competent active sites, two point mutation variants, A178L and P168A were generated and characterized. The A178L-mutation was made to favor the closed conformation of loop6 through steric clashes in the open conformation. The P168A variant was made to stabilize the closed conformation of loop6 by removing strain. The A178L mutation induced some features of the closed conformation, but did not result in a closed conformation in the absence of ligands. Our structural studies also show that the P168A mutation does not favor the closed conformation either. However, the structures of the unliganded and liganded P168A variant, together with other known TIM structures show that the substrate binding first induces closure of loop7. This conformational switch subsequently forces loop6 to adopt its closed conformation. The protein engineering project was successful, but the efforts to find variants with a permanently closed loop6 did not fully succeed. In the context of this thesis a monomeric variant of TIM, with new binding properties, was created. Nevertheless, A-TIM still competently binds the inhibitors and transition state analogues of wild type TIM. Also, when combined, results discussed in the context of this thesis indicate that in wild type TIM the closure of loop7 after ligand binding is the initial step in the series of conformational changes that lead to the formation of the competent active site. / Tiivistelmä Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli oppia paremmin ymmärtämään trioosifosfaatti-isomeraasin (TIM) toimintamekanismeja sen rakenteen perusteella ja käyttää tätä tietämystä samaisen proteiinin muokkaamiseen uusiin tarkoituksiin. TIM on keskeinen entsyymi solun energian tuotannossa ja sen toiminta on välttämätöntä kaikille eliöille. Tämän vuoksi on tärkeää oppia ymmärtämään miten se saavuttaa tehokkaan reaktionopeutensa ja miksi se katalysoi vain D-glyseraldehydi-3-fosfaattia (D-GAP) ja dihydroksiasetonifosfaattia (DHAP). TIM:n toiminta mekanismien ymmärtämiseksi sen aminohapposekvenssiä muokattiin kahdesta kohtaa (P168A ja A178L) ja seuraukset todettiin mittaamalla tuotettujen proteiinien stabiilisuutta optisesti eri lämpötiloissa ja selvittämällä niiden kolmiulotteinen rakenne käyttäen röntgensädekristallografiaa. Mutaatioita tehtiin dimeeriseen villityypin TIM:in (wtTIM) ja jo aikaisemmin muokattuun monomeeriseen TIM:in (ml1TIM). Näiden mutaatioiden tarkoituksena oli suosia entsyymin aktiivista konformaatiota, jossa reaktion kannalta välttämätön vapaasti liikkuva peptidisilmukka numero 6 on suljetussa konformaatiossa. Monomeerisissä TIM:ssa peptidisilmukka numero 6:n ei ole välttämätöntä aueta. Tulokset mutaatiokokeista olivat osittain lupaavia. P168A-mutaatio lisäsi D-GAP:in sitoutumista, mutta rikkoi tärkeän mekanismin suljetussa, ligandia sitovassa, konformaatiossa. A178L-mutaatio aiheutti muutoksia avoimeen konformaatioon ja teki siitä suljettua konformaatiota muistuttavan jopa ilman ligandia, mutta samalla koko proteiini muuttui epävakaammaksi. Näistä kahdesta mutaatiosta A178L voisi olla hyödyllinen muokattujen TIM-versioiden ominaisuuksien parantamiseksi. Lisäksi yhdessä jo aikaisemmin julkaistujen yksityiskohtien kanssa nämä tulokset tekevät mahdolliseksi esittää tarkennusta siihen miten TIM toimii kun ligandi saapuu sen lähettyville. Tämän väitöskirjatyön yksi tavoite oli myös muokata edelleen monomeeristä TIM versiota (ml8bTIM), joka on suunniteltu siten, että se voi mahdollisesti sitoa uudenlaisia ligandeja. Tämä projekti vaati onnistuakseen 20 eri versiota ml8bTIM:n sekvenssistä ja noin 30 rakennetta. Uusia ligandeja sitova muoto (A-TIM) sitoi onnistuneesti sitraattia ja villityypin TIM:n inhibiittoreita. Erityisen lupaavaa oli, että A-TIM sitoi myös bromohydroksiasetonifosfaattia (BHAP), joka sitoutuu ainoastaan toimivaan aktiiviseen kohtaan. Nämä tulokset osoittavat, että A-TIM kykenee tarvittaessa katalysoimaan isomerisaatio reaktion uudenlaisille molekyyleille. Esimerkiksi katalysoimaan isomerisointireaktiota sokerianalogien tuotannossa.

This thesis discusses the issue of predicting the effect of amino acid substitutions on protein function using MAPP method. This method requires the multiple sequence alignment and phylogenetic tree constructed by third-party tools. Main goal of this thesis is to find the combination of suitable tools and their parameters to generate the inputs of MAPP method on the basis of analysis on one massively mutated protein. Then, the MAPP method is tested with chosen combination of parameters and tools on two large independent datasets and consequently is compared with the other tools focused on prediction of the effect of mutations. Apart from this the web interface for the MAPP method was created. This interface simplifies the use of the method since the user need not to install any tools or set any parameters.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

No description available.

Sensorische Photorezeptorproteine vermitteln vielfältige Lichtreaktionen in allen Domänen des Lebens. Oftmals dienen verschiedene, durch helikale ‚Linker’ gekoppelte, Module der Lichtperzeption (Sensor) und der Umwandlung in ein biologisches Aktivität (Effektor). Der Zusammenbau chimärer Photorezeptoren aus unterschiedlichen Sensoren und Effektoren ermöglicht die präzise und minimalinvasive Regulation zellulärer Signalwege mit Hilfe von Licht, zu therapeutischen oder analytischen Zwecken. Eine große Herausforderung stellt dabei die korrekte Fusion der Linker beider Module dar, die Kommunikation zwischen Sensor und Effektor erlaubt. Die vorliegende Arbeit nimmt sich diesem Problem an und untersucht Strategien zum effizienten Bau chimärer Photorezeptorproteine. Ein rationaler, auf Sequenz- und Strukturhomologie der parentalen Proteine basierender Ansatz wurde maßgeblich durch unzureichendes Verständnis der funktionellen Mechanismen dieser modularen Proteinen erschwert. Die neuentwickelte und PATCHY-Methode umgeht dieses Hindernis, indem sie eine Bibliothek von Chimären aller Kombinationen der parentalen Linker generiert, welche anschließend mittels bakterieller Testsysteme nach funktionalen Varianten durchsucht wird. Angewendet auf die Fusion eines LOV-Blaulichtsensors und eines Histidinkinase-Effektors fanden sich sowohl lichtaktivierte, als auch zu lichtreprimierte Chimären, deren Linkerlängen jeweils einer Heptadenperiodizität folgten. Dass weniger als 5% aller Linkerkombinationen zu lichtregulierten Chimären führten, deutet zudem auf eine feine Abstimmung von Linkersequenz und Proteinfunktion hin. Die systematische Analyse von Fusionsvarianten mit PATCHY dient daher nicht nur der Entwicklung chimärer Rezeptorproteine zur Manipulation zellulärer Prozesse. Sondern sie zeigt darüber hinaus, komplementär zum rationalen Ansatz, molekulare Faktoren auf, die zur Modulkompatibilität und Signaltransduktion modularer Rezeptorproteine beitragen. / Sensory photoreceptor proteins mediate diverse responses to ambient light in all domains of life. Often distinct modules coupled by helical linkers enable light perception (sensor) and biological output function (effector). Rewiring different sensor and effector modules into photoreceptor chimeras allows using light to control target cellular processes with high spatiotemporal accuracy and minimal invasiveness for therapeutic or analytical purposes. Thereby, a major design challenge is fusing the linkers from both modules in a way that preserves signal transduction within the chimera. The present study tackles this issue and explores strategies for engineering photoreceptor chimeras. An initial rational-design approach guided by sequence and structure homology of the parent proteins was greatly hampered by insufficient knowledge of signaling mechanisms within these modular proteins. A novel and easy-to-use brute-force strategy, termed PATCHY (primer-aided truncation for the creation of hybrid enzymes) circumvents this problem by generating a complete library of fusion variants between target modules harboring all combinations of the parent linkers. Screening fusion libraries of a LOV (light-oxygen-voltage) blue-light sensor coupled to a histidine-kinase effector yielded light-induced and light-repressed chimeras, each group complying with a heptad periodicity of linker lengths. With less than 5% of all possible variants exhibiting light regulation, a delicate fine-tuning of linker sequence and protein function became evident. Thus, systematic testing of fusion variants with PATCHY not only facilitates the development of photoreceptor chimeras for manipulating cellular processes. Complementary to rational design, it also reveals molecular cues determining module compatibility and signal transduction in modular signal receptors.

No description available.