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Glycoengineering

Analysieren und Engineering von Proteinglykosylierungen. Durchsuchen Sie Sequenzen nach N-Glykosylierungssequons (N-X-S/T), prognostizieren Sie O-Glykosylierungs-Hotspots und greifen Sie auf kuratierte Glykoengineering-Tools zu (NetOGlyc, GlycoShield, GlycoWorkbench). Für Glykoprotein-Engineering, therapeutische Antikörperoptimierung und Impfstoffdesign.

Was ist Glycoengineering?

Diese Fähigkeit ist ein umfassendes Toolkit für das Glykoprotein-Engineering, das die Sequenzanalyse mit rationalen Mutationsstrategien und der Integration externer Tools verbindet. Es enthält Python-Funktionen zum Auffinden von N-Glykosylierungssequons (Motiv N-X-S/T, wobei X nicht Prolin ist) und zur heuristischen Vorhersage von O-Glykosylierungs-Hotspots basierend auf der lokalen Serin/Threonin-Dichte. Darüber hinaus bietet es Schnittstellen zu wichtigen externen Ressourcen wie NetOGlyc (Genauigkeitsvorhersage), GlycoSHIELD (Modellierung der Glykanabschirmung auf statischen Strukturen) und GlyConnect (experimentell verifizierte Glykosylierungsdatenbank). Es ist speziell für die Optimierung therapeutischer Antikörper (z. B. Steigerung der ADCC durch Defucosylierung), das Design von Impfstoffantigenen (Erzeugung von Glykanschilden) und das Engineering der Stabilität und Pharmakokinetik von Therapeutika konzipiert. Die Skill-Dokumentation umfasst Codebeispiele, chemische Notationen und eine Tabelle mit gängigen Glykoengineering-Strategien, sodass Entwickler schnell beginnen können, komplexe Proteinglykosylierungsmuster zu analysieren und zu modifizieren.

Funktioniert mit~Claude Code~Codex CLI~Cursor
npx skills add https://github.com/K-Dense-AI/scientific-agent-skills/tree/main/skills/glycoengineering

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Dokumentation

Was macht Glycoengineering?

Übersicht

Glykosylierung ist die häufigste und komplexeste posttranslationale Modifikation (PTM) von Proteinen und betrifft über 50 % aller menschlichen Proteine. Glykane regulieren die Proteinfaltung, Stabilität, Immunerkennung, Rezeptorinteraktionen und Pharmakokinetik therapeutischer Proteine. Glykoengineering umfasst die rationale Modifikation von Glykosylierungsmustern zur Verbesserung der therapeutischen Wirksamkeit, Stabilität oder Immunumgehung.

Zwei Haupttypen der Glykosylierung:

  • N-Glykosylierung: An Asparagin (N) im Sequon N-X-[S/T] gebunden, wobei X ≠ Prolin; findet im ER/Golgi statt
  • O-Glykosylierung: An Serin (S) oder Threonin (T) gebunden; kein strenges Konsensusmotiv; hauptsächlich GalNAc-Initiation

Wann diese Fähigkeit einsetzen?

Nutzen Sie diese Fähigkeit, wenn:

  • Antikörper-Engineering: Optimieren Sie die Fc-Glykosylierung für verbesserte ADCC, CDC oder reduzierte Immunogenität
  • Design therapeutischer Proteine: Identifizieren Sie Glykosylierungsstellen, die Halbwertszeit, Stabilität oder Immunogenität beeinflussen
  • Design von Impfstoffantigenen: Entwickeln Sie Glykan-Schilde, um Immunantworten auf konservierte Epitope zu fokussieren
  • Biosimilar-Charakterisierung: Vergleichen Sie Glykanmuster zwischen Referenz und Biosimilar
  • Analyse von Wirkstoffzielen: Beeinflusst die Glykosylierung die Zielbindung eines Rezeptors?
  • Proteinstabilität: N-Glykane stabilisieren oft Proteine; identifizieren Sie Stellen für stabilisierende Mutationen

Analyse von N-Glykosylierungssequons

Scannen nach N-Glykosylierungsstellen

N-Glykosylierung tritt am Sequon N-X-[S/T] auf, wobei X ≠ Prolin.

import re
from typing import List, Tuple

def find_n_glycosylation_sequons(sequence: str) -> List[dict]:
    """
    Durchsucht eine Proteinsequenz nach kanonischen N-gebundenen Glykosylierungssequons.
    Motiv: N-X-[S/T], wobei X ≠ Prolin.

    Args:
        sequence: Einbuchstabige Aminosäuresequenz

    Returns:
        Liste von Dictionaries mit Position (1-basiert), Motiv und Kontext
    """
    seq = sequence.upper()
    results = []
    i = 0
    while i <= len(seq) - 3:
        triplet = seq[i:i+3]
        if triplet[0] == 'N' and triplet[1] != 'P' and triplet[2] in {'S', 'T'}:
            context = seq[max(0, i-3):i+6]  # ±3 Reste Kontext
            results.append({
                'position': i + 1,   # 1-basiert
                'motif': triplet,
                'context': context,
                'sequon_type': 'NXS' if triplet[2] == 'S' else 'NXT'
            })
            i += 3
        else:
            i += 1
    return results

def summarize_glycosylation_sites(sequence: str, protein_name: str = "") -> str:
    """Erzeugen Sie eine Zusammenfassung der N-Glykosylierungsstellen als Forschungsprotokoll."""
    sequons = find_n_glycosylation_sequons(sequence)

    lines = [f"# N-Glykosylierungs-Sequon-Analyse: {protein_name or 'Protein'}"]
    lines.append(f"Sequenzlänge: {len(sequence)}")
    lines.append(f"Gesamtanzahl N-Glykosylierungssequons: {len(sequons)}")

    if sequons:
        lines.append(f"\nN-X-S-Stellen: {sum(1 for s in sequons if s['sequon_type'] == 'NXS')}")
        lines.append(f"N-X-T-Stellen: {sum(1 for s in sequons if s['sequon_type'] == 'NXT')}")
        lines.append(f"\nStellendetails:")
        for s in sequons:
            lines.append(f"  Position {s['position']}: {s['motif']} (Kontext: ...{s['context']}...)")
    else:
        lines.append("Keine kanonischen N-Glykosylierungssequons erkannt.")

    return "\n".join(lines)

# Beispiel: IgG1-Fc-Region
fc_sequence = "APELLGGPSVFLFPPKPKDTLMISRTPEVTCVVVDVSHEDPEVKFNWYVDGVEVHNAKTKPREEQYNSTYRVVSVLTVLHQDWLNGKEYKCKVSNKALPAPIEKTISKAKGQPREPQVYTLPPSREEMTKNQVSLTCLVKGFYPSDIAVEWESNGQPENNYKTTPPVLDSDGSFFLYSKLTVDKSRWQQGNVFSCSVMHEALHNHYTQKSLSLSPGK"
print(summarize_glycosylation_sites(fc_sequence, "IgG1 Fc"))

Mutieren von N-Glykosylierungsstellen

def eliminate_glycosite(sequence: str, position: int, replacement: str = "Q") -> str:
    """
    Eliminiert eine N-Glykosylierungsstelle durch Substitution von Asn → Gln (konservativ).

    Args:
        sequence: Proteinsequenz
        position: 1-basierte Position des zu mutierenden Asn
        replacement: Zu substituierende Aminosäure (Standard Q = Gln; ähnliche Größe, nicht glykosyliert)

    Returns:
        Mutierte Sequenz
    """
    seq = list(sequence.upper())
    idx = position - 1
    assert seq[idx] == 'N', f"Position {position} ist '{seq[idx]}', nicht 'N'"
    seq[idx] = replacement.upper()
    return ''.join(seq)

def add_glycosite(sequence: str, position: int, flanking_context: str = "S") -> str:
    """
    Einführung einer N-Glykosylierungsstelle durch Mutation eines Restes zu Asparagin,
    und Sicherstellung X ≠ Pro und +2 = S/T.

    Args:
        position: 1-basierte Position, an der Asn eingeführt werden soll
        flanking_context: 'S' oder 'T' an Position+2 (falls Modifikation erforderlich)
    """
    seq = list(sequence.upper())
    idx = position - 1

    # Mutieren zu Asn
    seq[idx] = 'N'

    # Sicherstellen X+1 != Pro (zu Ala mutieren, falls nötig)
    if idx + 1 < len(seq) and seq[idx + 1] == 'P':
        seq[idx + 1] = 'A'

    # Sicherstellen X+2 = S oder T
    if idx + 2 < len(seq) and seq[idx + 2] not in ('S', 'T'):
        seq[idx + 2] = flanking_context

    return ''.join(seq)

O-Glykosylierungsanalyse

Heuristische Vorhersage von O-Glykosylierungs-Hotspots

def predict_o_glycosylation_hotspots(
    sequence: str,
    window: int = 7,
    min_st_fraction: float = 0.4,
    disallow_proline_next: bool = True
) -> List[dict]:
    """
    Heuristische Bewertung von O-Glykosylierungs-Hotspots basierend auf lokaler S/T-Dichte.
    Kein Ersatz für NetOGlyc; als schnelle Ausgangsbasis verwenden.

    Regeln:
    - O-GalNAc-Glykosylierung clustert auf Ser/Thr-reichen Segmenten
    - Markieren Sie Ser/Thr-Reste in Fenstern, die für S/T angereichert sind
    - Vermeiden Sie S/T unmittelbar gefolgt von Pro (TP/SP-Motive hemmen GalNAc-T)

    Args:
        window: Ungerade Fenstergröße für lokale S/T-Dichte
        min_st_fraction: Mindestanteil an S/T im Fenster, um eine Stelle zu markieren
    """
    if window % 2 == 0:
        window = 7
    seq = sequence.upper()
    half = window // 2
    candidates = []

    for i, aa in enumerate(seq):
        if aa not in ('S', 'T'):
            continue
        if disallow_proline_next and i + 1 < len(seq) and seq[i+1] == 'P':
            continue

        start = max(0, i - half)
        end = min(len(seq), i + half + 1)
        segment = seq[start:end]
        st_count = sum(1 for c in segment if c in ('S', 'T'))
        frac = st_count / len(segment)

        if frac >= min_st_fraction:
            candidates.append({
                'position': i + 1,
                'residue': aa,
                'st_fraction': round(frac, 3),
                'window': f"{start+1}-{end}",
                'segment': segment
            })

    return candidates

Externe Glykoengineering-Tools

1. NetOGlyc 4.0 (O-Glykosylierungsvorhersage)

Webdienst für hochgenaue O-GalNAc-Stellenvorhersage:

import requests

def submit_netoglycv4(fasta_sequence: str) -> str:
    """
    Sequenz an den NetOGlyc 4.0-Webdienst senden.
    Gibt die Job-URL für den Ergebnisabruf zurück.

    Hinweis: Dies verwendet den DTU Health Tech-Webdienst. Ergebnisse dauern ~1-5 Min.
    """
    url = "https://services.healthtech.dtu.dk/cgi-bin/webface2.cgi"
    # NetOGlyc-Übermittlung (Parameter können je nach Webdienstversion variieren)
    # Es wird empfohlen, für die meisten Anwendungsfälle direkt die Weboberfläche zu verwenden
    print("Sequenz einreichen unter: https://services.healthtech.dtu.dk/services/NetOGlyc-4.0/")
    return url

# Auch: NetNGlyc für N-Glykosylierungsvorhersage
# URL: https://services.healthtech.dtu.dk/services/NetNGlyc-1.0/

2. GlycoSHIELD (Glykanabschirmungsanalyse)

GlycoSHIELD pfropft Bibliotheken von vorsimulierten Glykankonformeren auf eine statische Proteinstruktur und bewertet, wie viel der Proteinoberfläche durch die Glykane abgeschirmt wird, ohne neue MD-Simulationen auszuführen (Tsai et al., Cell 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.01.034):

GlycoSHIELD ist nicht auf PyPI — uv pip install glycoshield schlägt fehl. Es wird als drei Skripte auf Basis eines kleinen glycoshield-Pakets geliefert (benötigt numpy, scipy, matplotlib, MDAnalysis; GlycoSASA.py benötigt auch gmx von GROMACS im PATH). Installation aus dem Checkout:

# Installation (GPL-3.0). Glykankonformer-Bibliotheken werden separat heruntergeladen —
# siehe glycan_library_downloader.py und GLYCAN_LIBRARY/ im Repository.
git clone https://gitlab.mpcdf.mpg.de/dioscuri-biophysics/glycoshield-md.git
cd glycoshield-md
uv pip install -e .

# 1. Glykankonformere auf jedes in der Eingabedatei aufgeführte Sequon pfropfen.
#    Eine Zeile pro Stelle: <Kette> <Rest-1,Rest,Rest+1> <1,2,3> <glycan.pdb> <glycan.xtc> <out.pdb> <out.xtc>
python GlycoSHIELD.py --protpdb protein.pdb --inputfile sequons_input \
    --threshold 3.5 --mode CG --shuffle-sugar

# 2. Abschirmungswert pro Rest über die aufgepfropften Ensembles (Sondenradien in nm)
python GlycoSASA.py --pdblist A_463.pdb,A_492.pdb --xtclist A_463.xtc,A_492.xtc \
    --probelist 0.14,0.25 --plottrace

Zur Veranschaulichung: Die Flags stammen aus den argparse-Definitionen der Skripte und dem Upstream-Tutorial (N-Cadherin EC5 mit Man5-Glykanen); sie wurden hier nicht ausgeführt. --mode CG prüft Kollisionen nur gegen Cα-Atome und paart mit --threshold 3.5; --mode All mit --threshold 0.7 ist die All-Atom-Einstellung.

3. GlycoWorkbench (Glykanstruktur-Zeichnung/Analyse)

4. GlyConnect (Glykan-Protein-Datenbank)

  • URL: https://glyconnect.expasy.org/
  • Verwendung: Experimentell verifizierte Glykoproteine und Glykosylierungsstellen finden
  • Abfrage: Nach Protein (UniProt-ID), Glykanstruktur oder Gewebe
import requests

def query_glyconnect(uniprot_id: str) -> dict:
    """GlyConnect nach Glykosylierungsdaten für ein Protein abfragen."""
    url = f"https://glyconnect.expasy.org/api/proteins/uniprot/{uniprot_id}"
    response = requests.get(url, headers={"Accept": "application/json"})
    if response.status_code == 200:
        return response.json()
    return {}

# Beispiel: EGFR-Glykosylierung abfragen
eggfr_glyco = query_glyconnect("P00533")

5. UniCarbKB (Glykanstruktur-Datenbank)

  • URL: https://unicarbkb.org/
  • Verwendung: Glykanstrukturen durchsuchen, nach Masse oder Zusammensetzung suchen
  • Format: GlycoCT- oder IUPAC-Notation

Wichtige Glykoengineering-Strategien

Für therapeutische Antikörper

ZielStrategieHinweise
ADCC verbessernDefucosylierung an Fc Asn297Afucosyliertes IgG1 hat ~50× bessere FcγRIIIa-Bindung
Immunogenität reduzierenNicht-menschliche Glykane entfernenEliminiere α-Gal-, NGNA-Epitope
PK-Halbwertszeit verbessernSialylierungSialylierte Glykane verlängern die Halbwertszeit
Entzündung reduzierenHypersialylierungIVIG-entzündungshemmender Mechanismus
Glykanschild erzeugenN-Glykosylierungsstellen auf der Oberfläche hinzufügenMaskiert verwundbare Epitope (Impfstoffdesign)

Häufig verwendete Mutationen

MutationWirkung
N297A/Q (IgG1)Entfernt Fc-Glykosylierung (aglykosyliert)
N297D (IgG1)Entfernt Fc-Glykosylierung
S298A/E333A/K334AErhöht FcγRIIIa-Bindung
F243L (IgG1)Erhöht Defucosylierung
T299AEntfernt Fc-Glykosylierung

Glykan-Notation

IUPAC-kondensierte Notation (Monosaccharid-Abkürzungen)

SymbolVollständiger NameTyp
GlcGlucoseHexose
GlcNAcN-AcetylglucosaminHexNAc
ManMannoseHexose
GalGalactoseHexose
FucFucoseDesoxyhexose
Neu5AcN-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure)Sialinsäure
GalNAcN-AcetylgalactosaminHexNAc

Komplexe N-Glykan-Struktur

Typisches komplexes biantennäres N-Glykan:
Neu5Ac-Gal-GlcNAc-Man\
                       Man-GlcNAc-GlcNAc-[Asn]
Neu5Ac-Gal-GlcNAc-Man/
(±Kern-Fucose am innersten GlcNAc)

Bewährte Vorgehensweisen

  • Beginnen Sie mit NetNGlyc/NetOGlyc für rechnerische Vorhersage vor der experimentellen Validierung
  • Verifizieren Sie mit Massenspektrometrie: Glykoproteomik (Byonic, Mascot) für stellenspezifisches Glykan-Profiling
  • Berücksichtigen Sie den Stellenkontext: Nicht alle vorhergesagten Sequons sind tatsächlich glykosyliert (Zugänglichkeit, Zelltyp, Proteinkonformation)
  • Für Antikörper: Das Fc N297-Glykan ist kritisch – charakterisieren Sie diese Stelle immer zuerst
  • Verwenden Sie GlyConnect, um zu prüfen, ob Ihr interessierendes Protein experimentell verifizierte Glykosylierungsdaten hat

Zusätzliche Ressourcen

Individual skills in this repo

This repo contains 20 individual skills — each has its own dedicated page.

adaptyv

How to use the Adaptyv Bio Foundry API and Python SDK for protein experiment design, submission, and results retrieval. Use this skill whenever the user mentions Adaptyv, Foundry API, protein binding assays, protein screening experiments, BLI/SPR assays, thermostability assays, or wants to submit protein sequences for experimental characterization. Also trigger when code imports `adaptyv`, `adaptyv_sdk`, or `FoundryClient`, or references `foundry-api-public.adaptyvbio.com`.

aeon

This skill should be used for time series machine learning tasks including classification, regression, clustering, forecasting, anomaly detection, segmentation, and similarity search. Use when working with temporal data, sequential patterns, or time-indexed observations requiring specialized algorithms beyond standard ML approaches. Particularly suited for univariate and multivariate time series analysis with scikit-learn compatible APIs.

alphagenome

Look up precomputed AlphaGenome Atlas effects for any GRCh38 single-nucleotide variant (AVI score with Phred and 18 SHAP feature attributions, plus raw and quantile scores for RNA-seq, DNase, ATAC, ChIP-TF, ChIP-histone, CAGE, PRO-cap, splicing, polyadenylation and contact-map tracks), score variants or scan windows on demand with the AlphaGenome model for human and mouse (variant scoring, in silico mutagenesis, REF-versus-ALT track prediction), and build Atlas website deep links. Use when the user mentions AlphaGenome, AlphaGenome Atlas, AVI or AlphaGenome Variant Impact, DeepMind variant effect prediction, or wants to prioritise or mechanistically interpret non-coding, regulatory, splicing, enhancer, promoter, or chromatin-accessibility effects of SNVs from a VCF, credible set, or region. Research use only; not a clinical tool.

analytical-method-validation

Plan, execute, and document validation, verification, and transfer of analytical procedures under the governing framework - ICH Q2(R2) and Q14, USP <1220>/<1225>/<1226>, ICH M10 bioanalytical, CLSI EP, or ISO/IEC 17025. Use for HPLC, LC-MS/MS, GC, CE, ICP-MS, dissolution, qNMR, qPCR, NIR, and ligand binding or cell-based assays whenever the question is whether a procedure is fit for its intended purpose. Triggers include

anndata

Data structure for annotated matrices in single-cell analysis. Use when working with .h5ad files or integrating with the scverse ecosystem. This is the data format skill—for analysis workflows use scanpy; for probabilistic models use scvi-tools; for population-scale queries use cellxgene-census.

arbor

Autonomously improve a real artifact (code, training recipe, agent harness, data pipeline, prompt) against an objective and an evaluator, using Hypothesis Tree Refinement (HTR) from the Arbor paper. Use this whenever someone wants to iteratively optimize something over many experiments without overfitting — e.g.

arboreto

Infer gene regulatory networks (GRNs) from gene expression data using scalable algorithms (GRNBoost2, GENIE3). Use when analyzing transcriptomics data (bulk RNA-seq, single-cell RNA-seq) to identify transcription factor-target gene relationships and regulatory interactions. Supports distributed computation for large-scale datasets.

astropy

Core Python library for astronomy and astrophysics workflows that need Astropy APIs, including units/quantities, coordinates, FITS I/O, tables, time systems, WCS, and cosmology. Use when implementing or debugging astronomical data analysis code with Astropy.

autoskill

Observe the user

benchling-integration

Benchling Python SDK and REST API integration for registry entities, inventory, ELN entries, workflows, Benchling Apps, and Data Warehouse queries. Use when automating lab data with benchling-sdk or the v2 API.

bgpt-paper-search

Search scientific papers and retrieve structured experimental data extracted from full-text studies via the BGPT MCP server. Returns 25+ fields per paper including methods, results, sample sizes, quality scores, and conclusions. Use for literature reviews, evidence synthesis, and finding experimental details not available in abstracts alone.

bids

>

biopython

Comprehensive molecular biology toolkit. Use for sequence manipulation, file parsing (FASTA/GenBank/PDB), phylogenetics, and programmatic NCBI/PubMed access (Bio.Entrez). Best for batch processing, custom bioinformatics pipelines, BLAST automation. For quick lookups use gget; for multi-service integration use bioservices.

bioservices

Unified Python interface to 40+ bioinformatics services. Use when querying multiple databases (UniProt, KEGG, ChEMBL, Reactome) in a single workflow with consistent API. Best for cross-database analysis, ID mapping across services. For quick single-database lookups use gget; for sequence/file manipulation use biopython.

bulk-rnaseq

End-to-end bulk RNA-seq orchestrator — takes raw FASTQ reads through QC and trimming (FastQC, fastp/Trim Galore), alignment and quantification (STAR, Salmon, featureCounts), assembles a gene-level counts matrix, then hands off to differential expression (pydeseq2), pathway/GSEA enrichment (pathway-enrichment), and publication figures (scientific-visualization). Use whenever the user has bulk RNA-seq reads or quant output and wants a complete, reproducible differential-expression workflow — e.g.

cellxgene-census

Query the CZ CELLxGENE Census programmatically for versioned public single-cell and spatial transcriptomics data. Use when you need population-scale cell metadata, gene expression slices, Census summary counts, source H5AD URIs/downloads, embeddings, spatial Census data, or reference atlas comparisons across organisms, tissues, diseases, assays, and cell types. For analyzing your own local single-cell data use scanpy, anndata, or scvi-tools.

cirq

Google quantum computing framework. Use when targeting Google Quantum AI hardware, designing noise-aware circuits, or running quantum characterization experiments. Best for Google hardware, noise modeling, and low-level circuit design. For IBM hardware use qiskit; for quantum ML with autodiff use pennylane; for physics simulations use qutip.

citation-management

Comprehensive citation management for academic research. Search OpenAlex, PubMed, and Google Scholar for papers, extract accurate metadata, validate citations, and generate properly formatted BibTeX entries. This skill should be used when you need to find papers, verify citation information, convert DOIs to BibTeX, or ensure reference accuracy in scientific writing.

clinical-decision-support

Prepare and validate research-only clinical decision-support evaluation, evidence-profile, cohort, survival, biomarker/model, privacy, and governance artifacts. Use for aggregate or synthetic research documentation and traceability—not patient care or live clinical operation.

clinical-reports

Create safety-bounded draft structures and run local deterministic checks for clinical case, diagnostic, trial, safety, and aggregate research reports. Use only with synthetic, de-identified, or aggregate inputs and verified source-fact manifests; every output requires qualified review.

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