Dies ist eine schwere Frage, doch die Molekularbiologen haben sich da etwas einfallen lassen.

Das Ziel ist es z. B. ein Enzym, welches Fett spaltet, soweit zu optimieren, dass es auch noch bei 70 °C arbeitet und nicht kaputt geht. Nun darf man sich fragen, warum braucht man ein Enzym das Fett spaltet, das auch bei 70 °C arbeitet. Die Antwort ist ganz einfach. Diese Enzyme werden in Waschmitteln gebraucht, wo sie dafür sorgen, dass die Fettflecken rausgehen, und weil die Waschmaschine aus noch vielen anderen Gründen bei 70 °C wäscht, müssen die Enzyme diese Temperaturen aushalten.

Man kann nun die genetische Information dieses Enzyms nehmen, in ein Plasmid packen und mutieren. Wo welche Mutation sich ereignet, ist dem Zufall überlassen. Anschließend nimmt man das Plasmid und verteilt es auf einer Bakterienschale, sodass jedes Bakterium nur ein Plasmid hat. Wenn die Bakterien das Plasmid aufnehmen, so beginnen sie auch das Protein, welches im Plasmid ist, zu exprimieren, d. h. herzustellen. Das Resultat ist, dass es jetzt unzählige Bakterienkolonien gibt, die unzählige Varianten dieses Proteins herstellen, denn es wurde ja mutiert. Und jetzt besteht die Herausforderung darin, zu sehen, welches Enzym noch bei 70 °C arbeitet, von welchem Bakterium es gebildet wird, welches Plasmid drin ist und welche Mutation dazu führte, dass es diese Fähigkeit hat.
Ganz schön viele Fragen, deshalb überspringen wir kurz die Funktionsprüfung und kommen gleich zu den anderen Punkten.

Nun man hat das Enzym, welches auch bei 70 °C arbeitet oder sich auch einfach nur an etwas bestimmtes bindet, das ist die Nadel, und man hat noch die unzähligen anderen Enzyme, die das nicht tun, das ist der Heuhaufen. Auf den ersten Blick ein unlösbares Problem.

Und genau mit der Entwicklung neuer Suchmethoden beschäftigt sich Prof. Harald Kolmar von der TU-Darmstadt. Er versucht neue Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, von dem Phänotyp, d. h. der Funktion eines Enzyms, auf seinen Genotyp, d. h. sein Gen, bzw. die zufällige Mutation zurückzuschließen.

Einige sehr bekannte Verfahren sind das Phage-Display oder Ribosome-Display, wo quasi versucht wird, die genetische Information dauerhaft mit seinem Produkt zu verbinden. Entweder verwendet man dafür einen Phagen, das ist ein Virus, das nur Bakterien befällt, oder das Ribosom, das ist die Maschine, welche aus der mRNA Protein macht, bzw. genetische Information in Proteine umschreibt, bzw. der Hauptschritt vom Genotyp zum Phänotyp ist.

Wenn man genetische Information und Protein zusammen verknüpft hat, so kann man die Funktion des Enzyms prüfen, z. B. ob es an das gewünscht Ziel bindet, und wenn es bindet, dann kann man die genetische Information analysieren über eine Sequenzanalyse. Und dann weiß man im besten Fall irgendwann, warum es bindet.

Der Arbeitskreis von Prof. Kolmar versucht, die mutierten Proteine in ein Plasmid zu klonieren, d. h. einfach nur, es einzubauen, welches dafür sorgt, dass das Protein an der Oberfläche des Bakteriums präsentiert wird. Das nennt man Bacterial Display. Wenn man nun das Gegenstück, welches gebunden werden soll, mit einem fluoreszierenden Farbstoff markiert und auf die Bakterien gibt, so wird es von einigen gebunden. Diese kann man dann mithilfe eines so genannten Durchflusszytometers von einander trennen. Das Gerät trennt im Grunde genommen die Bakterien einfach auf und lässt sie durch einen Flüssigkeitsstrahl nacheinander laufen. Anschließend werden sie bestrahlt und wenn sie fluoreszieren, dann bedeutet das, dass das Gegenstück gebunden hat und sie können vom Gerät herausselektiert werden, indem der Strahl abgelenkt wird. Anschließend werden sie kultiviert und ihr Plasmid kann dann untersucht werden. Am Ende weiß man, wie die genetische Information des Enzyms ist, dass das Gegenstück gebunden hat, ohne dass man am Anfang auch nur eine Idee hatte, was man mutieren muss, damit es bindet.

Es lassen sich durch künstliche Evolutionsverfahren neue Wirkstoffe und vor allem Wirkstoffe nach Maß entwickeln.