TY - JOUR A1 - Brechun, Katherine E. A1 - Zhen, Danlin A1 - Jaikaran, Anna A1 - Borisenko, Vitali A1 - Kumauchi, Masato A1 - Hoff, Wouter D. A1 - Arndt, Katja Maren A1 - Woolley, Andrew G T1 - Detection of Incorporation of p-Coumaric Acid into Photoactive Yellow Protein Variants in Vivo JF - Biochemistry N2 - We report the design and characterization of photoactive yellow protein (PYP)-blue fluorescent protein (mTagBFP) fusion constructs that permit the direct assay of reconstitution and function of the PYP domain. These constructs allow for in vivo testing of co-expression systems for enzymatic production of the p-coumaric acid-based PYP chromophore, via the action of tyrosine ammonia lyase and p-coumaroyl-CoA ligase (pCL or 4CL). We find that different 4CL enzymes can function to reconstitute PYP, including 4CL from Arabidopsis thaliana that can produce similar to 100% holo-PYP protein under optimal conditions. mTagBFP fusion constructs additionally enable rapid analysis of effects of mutations on PYP photocycles. We use this mTagBFP fusion strategy to demonstrate in vivo reconstitution of several PYP-based optogenetic tools in Escherichia coli via a biosynthesized chromophore, an important step for the use of these optogenetic tools in vivo in diverse hosts. Y1 - 2019 U6 - https://doi.org/10.1021/acs.biochem.9b00279 SN - 0006-2960 VL - 58 IS - 23 SP - 2682 EP - 2694 PB - American Chemical Society CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Brechun, Katherine E. A1 - Arndt, Katja Maren A1 - Woolley, G. Andrew T1 - Strategies for the photo-control of endogenous protein activity JF - Current opinion in structural biology : review of all advances ; evaluation of key references ; comprehensive listing of papers Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1016/j.sbi.2016.11.014 SN - 0959-440X SN - 1879-033X VL - 45 SP - 53 EP - 58 PB - Elsevier CY - London ER - TY - GEN A1 - Brechun, Katherine E. A1 - Woolley, Andrew A1 - Arndt, Katja Maren T1 - A Bacterial Bandpass Assay for Protein-Protein Interactions T2 - Protein science : a publication of the Protein Society Y1 - 2017 SN - 0961-8368 SN - 1469-896X VL - 26 SP - 198 EP - 198 PB - Wiley CY - Hoboken ER - TY - THES A1 - Brechun, Katherine E. T1 - Development and application of genetic networks for engineering photo-controlled proteins T1 - Die Entwicklung und Anwendung von genetischen Netzwerken zur Konstruktion von licht-schaltbaren Proteinen N2 - Light-switchable proteins are being used increasingly to understand and manipulate complex molecular systems. The success of this approach has fueled the development of tailored photo-switchable proteins, to enable targeted molecular events to be studied using light. The development of novel photo-switchable tools has to date largely relied on rational design. Complementing this approach with directed evolution would be expected to facilitate these efforts. Directed evolution, however, has been relatively infrequently used to develop photo-switchable proteins due to the challenge presented by high-throughput evaluation of switchable protein activity. This thesis describes the development of two genetic circuits that can be used to evaluate libraries of switchable proteins, enabling optimization of both the on- and off-states. A screening system is described, which permits detection of DNA-binding activity based on conditional expression of a fluorescent protein. In addition, a tunable selection system is presented, which allows for the targeted selection of protein-protein interactions of a desired affinity range. This thesis additionally describes the development and characterization of a synthetic protein that was designed to investigate chromophore reconstitution in photoactive yellow protein (PYP), a promising scaffold for engineering photo-controlled protein tools. N2 - Licht ist eins der wichtigsten Impulse für Lebewesen, denn es dient Energie- und Informationsquelle. Folglich haben Organismen verschiedene Mechanismen entwickelt, um Licht wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Pflanzen zum Beispiel haben Proteine, die auf Licht reagieren und dabei einen Prozess auslösen, der dazu führt, dass die Pflanze in Richtung der Sonne wächst. Es wurde Anfang 2000 gezeigt, dass solche licht-reagierende Proteine als wertvolle molekulare Werkzeuge in der Biotechnologie benutzt werden können. Wenn man Licht benutzten kann, um einen molekularen Prozess zu aktivieren (beziehungsweise zu inaktivieren), kann dessen Prozess mit sehr genauer Kontrolle untersucht werden. Manche natürlich vorhandene licht-reagierende Proteine können direkt als licht-schaltbare Werkzeuge benutzt werden, aber häufig müssen solche Proteine geändert werden, um ihre Funktion anzupassen. Eine sehr erfolgreiche Herangehensweise, um die Funktion eines Proteins zu ändern, ist die Herstellung und anschließende Auswertung von Protein-Bibliotheken. Diese Methode nennt sich gerichtete Evolution (engl.: directed evolution). Eine Protein-Bibliothek wird durch die ungezielte Einführung von Mutationen im Gen eines Proteins hergestellt. Die daraus entstandene Sammlung von Proteinen (in der Regel Millionen oder Milliarden) wird danach ausgewertet, um verbesserte Mutanten des Proteins zu identifizieren. Die Auswertung erfolgt mithilfe eines Hochdurchsatz-Screening- oder Selektionssystems. Ein solches System ermöglicht es, Zellen mit Proteinen, die eine gewünschte Funktion trägen, zu identifizieren. Die Entwicklung und Optimierung von licht-schaltbaren Proteinen stellt eine besondere Herausforderung dar; die Aktivität des Proteins muss in einem Zustand (zum Beispiel unter Licht) verbessert werden und im entgegengesetzten Zustand (Dunkelheit) verhindert werden. Darüber hinaus mangelt es an Methoden, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglichen, welches die Anwendung von gerichteter Evolution verhindert. Das Forschungsgebiet der licht-schaltbaren Proteine würde von der Entwicklung von Systemen profitieren, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung und Optimierung von zwei Systemen, die die Hochdurchsatz-Auswertung von schaltbaren Proteinfunktion ermöglicht. Das erste System verbindet die Produktion eines fluoreszierenden Proteins mit der Aktivität eines licht-schaltbaren Proteins, sodass Information über die Aktivität des Proteins erhalten wird. Das zweite System ermöglicht die Selektion von Protein-Protein-Interaktionen mit gezielter Affinität. Diese Dissertation beschreibt zusätzlich die Untersuchung vom licht-reagierenden Protein Photoactive Yellow Protein (PYP). Auf Grund der großen licht-induzierten strukturellen Veränderungen, ist PYP ein nützliches Proteingerüst zur Entwicklung von licht-schaltbaren Proteinen. In dieser Arbeit wurde die enzymatische Synthese vom PYP Chromophormolekül optimiert. Darüber hinaus wurde die Wiederherstellung von PYP-basierten synthetischen Proteinen zum ersten Mal mit enzymatisch-produziertem Chromophor gezeigt. KW - genetic circuits KW - protein engineering KW - photoactive proteins KW - photoactive yellow protein (PYP) KW - genetische Netzwerke KW - Protein-Engineering KW - licht-schaltbare Proteine Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-430924 ER - TY - JOUR A1 - Mazumder, Mostafizur A1 - Brechun, Katherine E. A1 - Kim, Yongjoo B. A1 - Hoffmann, Stefan A. A1 - Chen, Yih Yang A1 - Keiski, Carrie-Lynn A1 - Arndt, Katja Maren A1 - McMillen, David R. A1 - Woolley, G. Andrew T1 - An Escherichia coli system for evolving improved light-controlled DNA-binding proteins JF - Protein engineering design & selection N2 - Light-switchable proteins offer numerous opportunities as tools for manipulating biological systems with exceptional degrees of spatiotemporal control. Most designed light-switchable proteins currently in use have not been optimised using the randomisation and selection/screening approaches that are widely used in other areas of protein engineering. Here we report an approach for screening light-switchable DNA-binding proteins that relies on light-dependent repression of the transcription of a fluorescent reporter. We demonstrate that the method can be used to recover a known light-switchable DNA-binding protein from a random library. KW - directed evolution KW - fluorescent reporter KW - optogenetics Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1093/protein/gzv033 SN - 1741-0126 SN - 1741-0134 VL - 28 IS - 9 SP - 293 EP - 302 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER -