Mit der sogenannten DNA-Origami-Technik können Wissenschaftler Einzelstränge des Erbguts zu dreidimensionalen Strukturen falten. Hendrik Dietz, Professor für Biomolekulare Nanotechnologie an der Technischen Universität München (TUM), ist ein Experte auf diesem Gebiet und hat jetzt eine neue Methode entwickelt, die üblicherweise nanometergroßen DNA-Origami Strukturen auch in größeren Format herzustellen. Hierzu haben Dietz und sein Team virale Konstruktionsprinzipien in die DNA-Origami-Technologie übertragen. Die Forscher zeigen damit, dass damit nicht nur Strukturen von der Größe von Viren und Zellorganellen gezielt konstruiert, sondern auch die Produktionskosten erheblich gesenkt werden können. Die Ergebnisse der Studie wurden im Fachjournal „Nature” veröffentlicht. 

Von Nano-V-Formen zu Nanoröhrchen

Als Grundlage für die größeren Strukturen entwickelten die Wissenschaftler Nanoobjekte in V-Form. Diese bekamen dann an den Seiten zusätzliche Bindungsstellen, so dass diese sich eigenständig zusammenfügten. Je nach Öffnungswinkel entstanden so „Zahnräder“ aus zehn bis 28 Einzelelementen. „Zu unserer großen Freude entstehen fast ausschließlich die durch den Öffnungswinkel der Einzelelemente vorgegebenen Ringe“, sagt Hendrik Dietz.

Anschließend entwickelten die Forscher auch Moleküle, die zusätzlich etwas schwächere Verbindungsstellen auf Ober- und Unterseite besitzen. Dadurch fügten sich die „Nanozahnräder“ zu langen Röhrchen zusammen. „Mit Längen von einem Mikrometer und Durchmessern von mehreren Hundert Nanometern erreichen diese Röhrchen bereits die Größe von Stäbchenbakterien“, sagt Hendrik Dietz.

Therapeutische Anwendungen für die Zukunft

Das Forschungsunterfangen, welches unter anderem im Rahmen des BioOrigami-Projekts vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird, plant diese 3D-Strukturen künftig auch für den Transport von Medikamenten im Körper anzuwenden. Dafür entwickeln die Forscher um Dietz sogenannte Käfige, die ihren Inhalt kontrolliert freigeben. „Das Ziel dabei ist, die Wirkstoffe ausschließlich am Einsatzort freizusetzen und den restlichen Körper zu schonen“, erklärt Dietz.

DNA-Enzym ermöglicht vereinfachte Herstellung

Bisher waren die Anwednungsmöglichkeiten stark beschränkt, denn mit den ursprünglichen Methoden konnten nur wenige Mikrogramm hergestellt werden. Der Grund: Die kurzen Klammerstränge der 3D Strukturen mussten bisher mittles chemischer Synthese aufgebaut werden. Der aus Bakteriophagen gewonnene Hauptstrang hingegen kann relativ einfach und in großen Mengen biotechnologisch produziert werden.

Ebenfalls aus der synthetischen Biotechnologie stammen sogenannte DNA-Enzyme. Dietz und sein Team haben die kurzen Klammer-Sequenzen mit jeweils zwei modifizierten DNA-Enzymen zu einem langen Strang verbunden. „Wie der Einzelstrang einer Bakteriophagen-DNA lässt sich ein solcher Strang, einmal präzise mit der richtigen Basenfolge hergestellt, mit biotechnologischen Verfahren vervielfältigen“, erläutert Dietz den Trick des Verfahrens. Zusammen mit Kollegen am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik konnten sie so inzwischen bereits Grammmengen von vier verschiedenen DNA-Origami-Objekten herstellen. Auch die weitere Skalierbarkeit in den Kubikmeter-Maßstab erscheint nun möglich.

jmr