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Schutz für DNA-Origami: Empfindliche Nanostrukturen erhalten Polymer-Überzug

17.03.2017
Blockcopolymer-Mizellisierung als Schutzstrategie für DNA-Origami

Wissenschaftler des Center for Advancing Electronics Dresden / TU Dresden und der Universität Tokyo unter der Leitung von Thorsten L. Schmidt (cfaed) haben eine Methode zum Schutz von DNA-Origami vor dem Abbau in biologischen Medien entwickelt. Diese Strategie ermöglicht zukünftige Anwendungen in der Nanomedizin und Zellbiologie.

Die genaue Anordnung einzelner Moleküle ist grundsätzlich sehr schwierig. DNA-Nanotechnologie ermöglicht die Synthese Nanometer-großer Objekte mit programmierbaren Formen aus synthetischen DNA-Fragmenten. Eine der am häufigsten genutzten Methoden in diesem Forschungsfeld ist die sogenannte DNA-Origami-Technik, welche die Herstellung von Nanostrukturen mit nahezu beliebigen Formen ermöglicht. Diese sind um ein Tausendfaches kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie können punktgenau mit zahlreichen weiteren Materialen funktionalisiert werden, wie z.B. Eiweißmolekülen, Antikörpern, Wirkstoff-Molekülen oder anorganischen Nanopartikeln, so dass definierte Geometrien bzw. Abstände mit Genauigkeiten im Nanometerbereich einstellbar sind.

Dank dieser einzigartigen Kontrolle von Materialien im Nanometerbereich sind DNA-Nanostrukturen auch für Anwendungen in der Molekularbiologie und Nanomedizin attraktiv. So könnten Nanostrukturen beispielsweise als programmierbare Wirkstoffträger oder Diagnoseeinheiten eingesetzt werden, oder die Reaktion von Zellen auf präzise eingebrachte Moleküle untersucht werden. Diese künstlichen DNA-Nanostrukturen benötigen allerdings etwa 10-fach höhere Salzkonzentrationen, als in Körperflüssigkeiten oder Zellkulturmedien vorliegen, damit die Form und damit die Funktionalität erhalten bleibt. Darüber hinaus können sie sehr schnell von speziellen Enzymen (Nukleasen) abgebaut werden, welche in menschlichen Körperflüssigkeiten wie Blut oder Speichel zu finden sind. Diese Instabilität schränkt biologische oder medizinische Anwendungen ein.

Aus diesem Grunde überzog ein Team unter Leitung von cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Thorsten L. Schmidt (Technische Universität Dresden) DNA-Origamistrukturen mit einem synthetischen Polymer. Dieses besteht aus zwei Segmenten: einem kurzen positiv geladenen Abschnitt, welcher das Polymer elektrostatisch an der negativ geladenen DNA-Nanostruktur anheftet, und einer langen ungeladenen Polymerkette, welche die gesamte Nanostruktur ähnlich einem Pelz einhüllt. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass solche von Polymeren bedeckten DNA-Nanostrukturen vor Nuklease-Abbau und niedrigen Salzkonzentrationen geschützt waren. Zudem konnten sie nachweisen, dass mit Nanopartikeln funktionalisierte Nanostrukturen mittels derselben Methode geschützt werden können. Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team unter dem Titel: “Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami” in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie [DOI: 10.1002/anie.201608873].

Diese unkomplizierte, kosteneffektive und robuste Methode zum Schutz von DNA-basierten Strukturen könnte biologische und nanomedizische Anwendungen in Bereichen ermöglichen, in welchen „ungeschützte“ DNA-Origami nicht stabil wären.

Paper:
Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami
Authors: Nayan P. Agarwal [a]; Michael Matthies [a]; Fatih N. Gür [a]; Kensuke Osada [b]; Thorsten L. Schmidt [a]
[a] Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden
[b] Prof. Dr. Kensuke Osada, Department of Bioengineering, University of Tokyo
[DOI: 10.1002/anie.201608873]

HiRes download: http://bit.ly/2nyQrrZ

Informationen für Journalisten:
Thorsten-Lars Schmidt, PhD.
Gruppenleiter DNA Chemistry
thorsten-lars.schmidt@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Tel.: +49 (0) 351 463-42847
matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Über das cfaed
Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.
http://www.cfaed.tu-dresden.de

Quelle: Presseinformation der TU Dresden vom 16. März 2017