Dr. Lukas Theo Schmitt

Kurzbeschreibung

Ortsspezifische Rekombinasen vom Tyrosin-Typ sind wirksame Werkzeuge für das Genom-Engineering, und die ersten konstruierten Varianten haben therapeutisches Potenzial gezeigt. Bisher wurde die Anpassung an eine neue DNA-Zielstellenselektivität von Designer-Rekombinasen hauptsächlich durch iterative Zyklen der gerichteten molekularen Evolution erreicht. Die Methoden der gerichteten molekularen Evolution sind zwar effektiv, aber mühsam und zeitaufwendig.

Um die Entwicklung von Designer-Rekombinasen zu beschleunigen, habe ich zwei Sequenzierungsansätze evaluiert und die Sequenzinformationen von über zwei Millionen Cre-ähnlichen Rekombinase-Sequenzen gesammelt, die für 89 verschiedene Zielstellen entwickelt wurden. Mit diesen Informationen untersuchte ich zunächst die Sequenzzusammensetzung und die Veränderungen der Reste der Rekombinasen, um die Selektivität ihrer Zielorte besser zu verstehen. Die Komplexität der Daten führte mich zu einem generativen Deep-Learning-Ansatz. Anhand der Sequenzdaten trainierte ich einen bedingten Variations-Autoencoder namens RecGen (Recombinase Generator), der in der Lage ist, neue Rekombinasen für eine bestimmte Zielstelle zu generieren. Durch rechnerische Auswertung der Sequenzen konnte ich zeigen, dass bekannte Rekombinasen, die an der gewünschten Zielstelle funktionieren, den von RecGen vorhergesagten Rekombinasen im Allgemeinen ähnlicher sind als andere Rekombinasenbibliotheken.

Außerdem konnte ich experimentell zeigen, dass vorhergesagte Rekombinasen für bekannte Zielstellen mindestens so aktiv sind wie die entwickelten Rekombinasen. Schließlich konnte ich auch experimentell zeigen, dass 4 von 10 Rekombinasen, die für neue Zielorte vorhergesagt wurden, in der Lage sind, ihre jeweiligen Zielorte auszuschneiden.

Als Bonus zu RecGen habe ich auch eine neue Methode entwickelt, die eine genaue Sequenzierung von Rekombinasen mit Nanoporen-Sequenzierung ermöglicht und gleichzeitig DNA-Editing-Ereignisse zählt. Die Daten dieser Methode sollten die nächste Entwicklungsstufe von RecGen ermöglichen.