Eine Voraussetzung für das Überleben jedes Organismus ist die Konservierung seines Genoms und dessen exakte Verdopplung vor der Zellteilung. Die gesamte DNA-Synthese in der DNA-Reparatur, -Rekombination und -Replikation hängt von der Fähigkeit der DNA-Polymerasen ab, ein Templat zu erkennen und komplementäre Nucleotide einzubauen. Neben ihrer Schlüsselrolle in biologischen Prozessen werden DNA-Polymerasen in zahlreichen wichtigen Methoden der Molekularbiologie und Biotechnologie verwendet. Könnte das funktionelle Repertoire von DNA-Polymerase um innovative und künstliche Eigenschaften erweitert werden, wären sehr wertvolle Werkzeuge für zahlreiche Anwendungen von der (Nano)biotechnologie bis hin zur Diagnostik und Arzneimittelentwicklung gewonnen. Mit einem interdisziplinären Ansatz streben wir in diesem Projekt die Generierung neuer Eigenschaften von DNA-Polymerasen an: Eines der vordringlichen Ziele nach der Entschlüsselung der humanen Genomsequenz ist die Entdeckung von kleinen Sequenzunterschieden, so genannten SNPs, zwischen einzelnen Individuen, da diese häufig mit der unterschiedlichen Wirkung von Arzneimitteln in Verbindung gebracht werden. Hochselektive DNA-Replikationssysteme würden die direkte Detektion von SNPs in Genen erlauben, ohne dass zeit- und kostenintensive analytische Verfahren verwendet werden müssen. Dieses Ziel wollen wir mit chemischen und genetischen Methoden erreichen. Natürliche DNA setzt sich aus einem einzelnen Stereoisomeren zusammen, das sich aus der Händigkeit (Chiralität) der Zuckerbausteine ergibt. Bis heute ist nicht verstanden, wie die Natur die Chiralität der DNA-Biosynthese während der Evolution erreicht und beibehalten hat. Wir werden diese Frage in der Art angehen, dass wir zunächst das Wechselspiel von DNA-Polymerasen mit beiden Stereoisomeren mittels chemischer und biochemischer Methoden untersuchen werden. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend streben wir an, durch gerichtete Evolution DNA-Polymerasen zu generieren, die DNA, bestehend aus dem unnatürlichen Stereoisomer, selektiv replizieren. Zusätzlich zu Einblicken in Prozesse der stereoselektiven DNA-Biosynthese werden dadurch wertvolle Werkzeuge zur Arzneimittelentwicklung erhalten. One essential prerequisite of any organism is to keep its genome intact and to accurately duplicate it before cell division. All DNA synthesis required for DNA repair, recombination, and replication depends on the ability of DNA polymerases to recognize the template and insert the correct nucleotide. Apart from their pivotal role in biological process DNA polymerases are widely applied in numerous molecular biological and biotechnological applications. Extending the repertoire of DNA polymerases properties toward innovative and artificial functions would result in highly valuable new tools for a variety of applications ranging from (nano)biotechnology to diagnostics and therapeutics. In this project we put forward the generation of new DNA polymerase functions employing interdisciplinary approaches: After the completion of the human genome sequence the discovery of small dissimilarities in the sequence of different individuals is one of the prime tasks today, since genetic differences may influence the variability of patients' response to drugs. Highly selective DNA replication systems should simplify the detection of single nucleotide polymorphisms (SNP) in genes without need for further tedious time- and cost-consuming analytical procedures as applied to date. Here, we will envisage this task employing a chemical-genetic approach. All DNA abundant in nature is composed out of one single stereoisomer derived from the handedness (chirality) of the sugar moiety. Up to now it is not understood how nature has chosen and retained chirality of DNA biosynthesis during evolution. We will approach this topic through firstly studying the interplay of DNA polymerase with both stereoisomers by chemical and biochemical means. Starting from these results we will employ a directed evolution approach with the ultimate task to obtain DNA polymerases that faithfully replicate DNA entirely composed out of the unnatural building blocks. Apart from insights into mechanistic aspects of stereoselective DNA biosynthesis, we will gain highly interesting tools for drug discovery applications.
