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29.03.2017

Schutzmantel für DNA-Origami

Die Erbsubstanz DNA ist ein faszinierendes Baumaterial. DNA-Nanostrukturen sind jedoch empfindlich. Dresdner Forscher haben eine Schutzhülle für die molekularen Bauteile entwickelt.

Ein synthetisches Polymer umhüllt das DNA-Origami wie ein Schutzmantel.
Quelle: 
Center for Advancing Electronics Dresden

Die DNA ist ein doppelsträngiges Molekül, mit dem Nanotechniker faszinierende Strukturen konstruieren können. Basierend auf dem Phänomen der Basenpaarung lassen sich DNA-Moleküle so programmieren, dass sie mit anderen DNA-Abschnitten wechselwirken. So lassen sich molekulare Nanostrukturen konstruieren. In den vergangenen Jahren hat die Technik des „DNA-Origami“ immer wieder für Furore gesorgt. Programmiert man die DNA entsprechend, so faltet sie sich sogar per Selbstmontage zu dreidimensionalen Nano-Bauteilen und Nano-Maschinen. Biophysiker haben so bereits Ziegelsteine, Zahnräder oder Roboter mit beweglichen Armen hergestellt.

DNA-Origami werden zu schnell von Enzymen verdaut

Vor allem in der Nanomedzin ruhen viele Hoffnungen auf dem DNA-Origami. Die Nanostrukturen können als programmierbare Wirkstoffträger oder Diagnoseeinheiten eingesetzt werden, oder punktgenau mit zahlreichen weiteren Materialen wie bestimmten Proteinen oder Antikörpern ausgestattet werden. Allerdings sind die DNA-Konstrukte auch relativ instabil, was ihren medizinischen Einsatz erschwert. Sie werden sehr schnell von körpereigenen Enzymen abgebaut, und um ihre Form und Funktionalität zu erhalten, benötigen sie eine etwa 10-fach höhere Salzkonzentration, als sie in Körperflüssigkeiten oder Zellkulturmedien vorliegt.

Ein einfacher aber robuster Schutzmantel ermöglicht neue Anwendungen

Ein Forschungsteam um Thorsten Schmidt vom Center for Advancing Electronics Dresden der Technischen Universität Dresden berichtet mit Kollegen der Universität Tokio im Fachjournal „Angewandte Chemie“, wie die DNA-Origami vor dem Abbau in biologischen Medien geschützt, und so bessere Anwendungsmöglichkeiten in der Nanomedizin und Zellbiologie gewährleistet werden können.

Dazu überzogen die Wissenschaftler die Nanostrukturen mit einem synthetischen Polymer, welches aus zwei Segmenten besteht. Das erste Segment ist ein kurzer, positiv geladener Abschnitt, der sich und somit das gesamte Polymer mittels elektrostatischer Anziehung an die negativ geladene DNA-Origami-Struktur anheftet. Das zweite Segment ist eine lange ungeladene Polymerkette, die die gesamte Nanostruktur ähnlich einem Mantel einhüllt. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die ummantelten DNA-Origami-Strukturen dadurch vor dem Enzym-Abbau sowie niedrigen Salzkonzentrationen geschützt waren.

Dieser Schutzmantel funktionierte außerdem nicht nur für die DNA-Origami selbst, sondern schützt auch erweiterte und mit Nanopartikeln funktionalisierte Nanostrukturen.

Diese unkomplizierte, preiswerte und robuste Methode zum Schutz der DNA-basierten Strukturen könnten die biologischen und nanomedizischen Anwendungsgebiete enorm erweitern.

jmr

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