Recognition of short functional motifs in protein sequences

The main goal of this study was to develop a method for computational de novo prediction of short linear motifs (SLiMs) in protein sequences that would provide advantages over existing solutions for the users. The users are typically biological laboratory researchers, who want to elucidate the function of a protein that is possibly mediated by a short motif. Such a process can be subcellular localization, secretion, post-translational modification or degradation of proteins. Conducting such studies only with experimental techniques is often associated with high costs and risks of uncertainty. Preliminary prediction of putative motifs with computational methods, them being fast and much less expensive, provides possibilities for generating hypotheses and therefore, more directed and efficient planning of experiments. To meet this goal, I have developed HH-MOTiF – a web-based tool for de novo discovery of SLiMs in a set of protein sequences. While working on the project, I have also detected patterns in sequence properties of certain SLiMs that make their de novo prediction easier. As some of these patterns are not yet described in the literature, I am sharing them in this thesis. While evaluating and comparing motif prediction results, I have identified conceptual gaps in theoretical studies, as well as existing practical solutions for comparing two sets of positional data annotating the same set of biological sequences. To close this gap and to be able to carry out in-depth performance analyses of HH-MOTiF in comparison to other predictors, I have developed a corresponding statistical method, SLALOM (for StatisticaL Analysis of Locus Overlap Method). It is currently available as a standalone command line tool

Recognition of short functional motifs in protein sequences

The main goal of this study was to develop a method for computational de novo prediction of short linear motifs (SLiMs) in protein sequences that would provide advantages over existing solutions for the users. The users are typically biological laboratory researchers, who want to elucidate the function of a protein that is possibly mediated by a short motif. Such a process can be subcellular localization, secretion, post-translational modification or degradation of proteins. Conducting such studies only with experimental techniques is often associated with high costs and risks of uncertainty. Preliminary prediction of putative motifs with computational methods, them being fast and much less expensive, provides possibilities for generating hypotheses and therefore, more directed and efficient planning of experiments. To meet this goal, I have developed HH-MOTiF – a web-based tool for de novo discovery of SLiMs in a set of protein sequences. While working on the project, I have also detected patterns in sequence properties of certain SLiMs that make their de novo prediction easier. As some of these patterns are not yet described in the literature, I am sharing them in this thesis. While evaluating and comparing motif prediction results, I have identified conceptual gaps in theoretical studies, as well as existing practical solutions for comparing two sets of positional data annotating the same set of biological sequences. To close this gap and to be able to carry out in-depth performance analyses of HH-MOTiF in comparison to other predictors, I have developed a corresponding statistical method, SLALOM (for StatisticaL Analysis of Locus Overlap Method). It is currently available as a standalone command line tool

ω-Transaminases as Promising Biocatalysts for the Chiral Synthesis of β-Amino Acids

Diese Arbeit erörtert die Enzyme-Familie der ω-Transaminasen (ω-TA), die eine stereoselektive Übertragung einer Stickstoffgruppe von einem Amino-Donor auf ein Akzeptor Molekül (mit Keton/Aldehyd-Funktion) katalysieren. ω-Transaminasen sind von großem Interesse für viele pharmazeutische Prozesse und Synthese-Strategien, da selbige es ermöglichen, stickstoffhaltige Wirkstoffe enantiomerenrein zu produzieren. Die Dissertation, angefertigt im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projektes Molecular Interaction Engineering (MIE), beschäftigte sich hierbei mit der Enzymherstellung und Modifikation am Beispiel der Synthese von β-Aminosäuren sowie dem Abbau selbiger durch Mikroorganismen. Im Fokus dieser Arbeit stand daher die Transaminierung von β-Ketosäuren/estern, das dafür notwendige Enzym Engineering, sowie die Charakterisierung und Katalogisierung der ω-Transaminase-Familie. Das primäre Ziel war hierbei die Synthese des chiralen Paclitaxel-Bestandteils, β-Phenylalanine(ester), durch ω-Transaminasen demonstrieren. Zusammenfassend konnten in dieser Thesis folgende Punkte erreicht werden: o Die Proteinproduktion und Reinigung der ω-TA aus Variovorax paradoxus konnte durch Codon-Optimierung sowie Fast-protein-liquid-chromatography (FPLC) mittels Ni-NTA-Säulen verbessert werden und die Langzeitstabilität konnte erhöht werden. o Außerdem konnte eine ω-Transaminase-Engineering-Datenbank (oTAED) als hilfreiche Basis für das Transaminase Engineering etabliert werden. o Funktionelle Aminosäurepositionen in der V. paradoxus ω-TA wurden mutiert und die Auswirkungen auf die Aktivität untersucht. o Durch gezielte Mutagenese konnte die Proteinstabilität der ω-TA aus V. paradoxus unter gleichzeitigem Erhalt der Aktivität verbessert werden. o Es konnten die Schwierigkeiten bei der Synthese von β-Phenylalanin (β-PA) durch eine Lipase-ω-TA Kaskadenreaktion erörtert und gezeigt werden. Hierbei wurden alternative Syntheseweg vorgeschlagen und analysiert. o Es wurden zwei ω-TA für die Synthese von (R)- sowie (S)-β-PA-Ethylester identifiziert durch Screening einer ω-TA Bibliothek. o Eine ω-TA (namentlich 3FCR_4M) zeigte Potenzial für eine Maßstabsvergrößerung um den Faktor 200 für die Synthese des (S)-β-PA-Ethylester (200 mL - 30 mM Produktkonzentration). o Der Abbau von β-PA durch zwei Bakterien konnte unter kontrollierten Bedingungen genauer analysiert werden. Dabei wurde erstmals der simultane Abbau beider Enantiomere einer β-Aminosäure durch ein Bakterium gezeigt, wobei neben der Transaminierung noch ein weiterer, bislang unbekannter Abbaumechanismus erfolgt