Streptavidin

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Streptavidin (SA) ist ein 56kDa-Homotetramer von Streptomyces avidinii, das an vier Biotinmoleküle mit K_d~10^-14 M binden kann. Das Protein hat auch eine hohe thermische Stabilität (Tm für apo-SA: 73°C, Tm für biotin-SA: 112°C) und ist resistent gegen viele extreme Bedingungen wie pH, Denaturierungsmittel und enzymatische Abbau, etc. Streptavidin-Homologe wurden aus Organismen wie Pilzen, Bakterien, Fröschen und Hühnern identifiziert. Da dieses Molekül Mutationen tolerieren kann, dient es als gute Plattform für ingenieurtechnische Forschung. Derzeit wurden in der Literatur eine große Anzahl von Streptavidin-Mutanten berichtet, die Mutationen umfassen, die den Glykolisierungsprozess von aus Hühnern stammendem Avidin vorhersagbar verändern, das rationale Design von Neo-Host-Gast-Systemen für Anwendungen in der organometallischen Chemie und großangelegte proteintechnologische Forschung, etc. Eine große Anzahl von Studien hat das Forschungsinteresse von Wissenschaftlern an der Streptavidin-Biotin-Interaktion und deren Anwendungen bewiesen. Kurz gesagt, die Verbesserung der chemischen und enzymatischen Biotinylierungstechnologie und die neu entwickelten Streptavidin-Varianten haben eine wichtige Rolle im wissenschaftlichen Fortschritt und in der technologischen Entwicklung gespielt.

Abb. 1. Struktur von monovalentem Streptavidin (Zhang, M.; et al. 2016)

Streptavidin-basierte Enzyme

Streptavidin ist eine leistungsstarke Plattform zur Konstruktion neuartiger Enzyme, da es eine robuste Struktur hat und umfangreiche Aminosäureaustausche tolerieren kann. Die ingenieurtechnisch erzeugte Hydrolase-Aktivität kann verwendet werden, um Biotin-Affinitätsreinigungstags zu schneiden. Die Bindung von Biotin ist besonders nützlich für die Ingenieurierung von Enzymfähigkeiten, da sie verwendet werden kann, um reaktive Komponenten in der gewünschten räumlichen Orientierung zu rekrutieren und zu halten. Durch das Verankern von biotinilierten anorganischen Cofaktoren in der Bindungstasche wurden verschiedene Metalloenzyme erfolgreich auf Streptavidin-Gerüsten konstruiert. Studien haben einen hybriden Streptavidin-Katalysator mit einem festen Metallzentrum berichtet, was darauf hindeutet, dass leistungsstarke Techniken der Proteinengineering wie gerichtete Evolution verwendet werden können, um streptavidinbasierte Enzyme zu entwickeln. Die ingenieurtechnisch erzeugten Streptavidin-Enzyme können verwendet werden, um zelluläre Wege zu schaffen, um die mikrobielle Produktion von wertvollen Chemikalien zu erhöhen, die in pharmazeutischen und industriellen Anwendungen verwendet werden. Die Fähigkeit, künstliche und natürliche Katalysatoren zu verwenden, um synthetische Reaktionskaskaden in Modellorganismen einzuführen, zeigt die potenzielle Anwendung von streptavidinbasierten Metalloenzymen in der metabolischen Ingenieurwissenschaft.

Pretargeted Krebsbehandlung

Die Interaktion zwischen Streptavidin und Biotin kann in Arzneimittelabgabesystemen für Krebs- und Gentherapie verwendet werden. Sie kann den therapeutischen Index einer Behandlung effektiv erhöhen, da sie die Fähigkeit hat, das Zielmolekül vom eigentlichen Medikament zu trennen. Zum Beispiel werden in der Krebstherapie biotinilierte Antikörper gegen bekannte Krebsbiomarker verwendet, um radiolabeltes Streptavidin zu rekrutieren. Durch das Entfernen ungebundener Antikörper vom Patienten, bevor Streptavidin hinzugefügt wird, kann der Kontrast der Strahlenexposition zwischen Krebs- und Normalgewebe weiter optimiert werden. Eine Reihe von Varianten dieser Methode wurde entwickelt. Neben Radionukliden kann die an Tumoren abgegebene Fracht auch Liposomen mit chemotherapeutischen Mitteln enthalten. Das Problem der Immunogenität von Streptavidin besteht jedoch weiterhin im auf Streptavidin basierenden Arzneimittelzielsystem. Derzeit gibt es Studien zu Mutationen, die die Immunogenität von Streptavidin reduzieren.

Abb. 2. Streptavidin-basierte Strategien für die gezielte Arzneimittelabgabe (Dundas, C.M.; et al. 2013)

Streptavidin-basierte Sensoren

Streptavidin ist ein leistungsstarkes Werkzeug für die Entwicklung neuartiger Sensoren aufgrund seiner hohen Biotinaffinität. Jüngste Studien haben trisbiotinilierte Oligonukleotide (sogenannte „Spinnen“) berichtet, die gleichzeitig an die drei Bindungsstellen von Streptavidin binden können. Da das entworfene Molekül verwendet werden kann, um monovalentes Streptavidin aus wt-Tetrameren zu konstruieren, hat diese Arbeit viel Aufmerksamkeit erhalten. Seine Bindungsstelle behält eine hohe Biotinaffinität, sodass der Komplex in verschiedenen Anwendungen verwendet werden kann, die eine hochaffine monovalente Biotinbindung erfordern. Interessanterweise wurde gezeigt, dass die Zugabe von einzelsträngiger DNA, die komplementär zur Spinnensequenz ist, die Dissoziation eines der gebundenen Biotins induziert, was durch ELISA unter Verwendung von mit Meerrettichperoxidase-konjugiertem Streptavidin nachgewiesen werden kann. Ein einzelner Fehler reduziert die Rate der Biotindissoziation, was darauf hindeutet, dass der Komplex als Sensor zur Detektion spezifischer Sequenzoligonukleotide verwendet werden kann. Derzeit werden auch einige andere Sensoren berichtet, die nicht mit Biotin kombiniert werden müssen; sie verwenden Streptavidin als ihren generischen Rezeptor, um an ingenieurtechnisch erzeugte Liganden zu binden.