Eine aus DNA gebaute Lockbox

Forscher in Dänemark haben aus nichts als DNA eine winzige Schachtel mit einem Deckel konstruiert, der entweder verriegelt oder – mit Hilfe eines Satzes von DNA-Schlüsseln – aufklappbar ist. Während andere Gruppen mit der Verwendung von DNA-Origami experimentiert haben, um dreidimensionale Objekte zu bauen, ist die neue Box, die in der dieswöchigen Ausgabe von . beschrieben wird Natur , zeichnet sich durch seine massiven Seiten und beweglichen Teile aus.

Desoxyribose-Zuckerwürfel: Da sich komplementäre DNA-Regionen gerne paaren, konnten die Forscher einen langen DNA-Strang entwerfen, der sich in Kombination mit vielen winzigen DNA-Klammern automatisch zu einer nanogroßen Schachtel zusammenfügt. Diese Technik wird als DNA-Origami bezeichnet. Hier wurden die Boxen mittels Kryo-Elektronentomographie abgebildet, um ihre würfelförmigen Strukturen und ihr hohles Inneres zu bestätigen.

Es ist eine ziemlich schöne molekulare Struktur, sagt John Reif , ein angesehener Professor für Informatik an der Duke University, der nicht an der Forschung beteiligt war. Es ist das erste Mal, dass eine solche Nanostruktur einen programmierbaren und steuerbaren Deckel hat.

Die Box dient vorerst als Beweis des Prinzips, dass DNA-Origami angepasst werden kann, um kunstvolle dreidimensionale Strukturen herzustellen, sagt Jørgen Kjems , Molekularbiologe am Zentrum für DNA-Nanotechnologie der Universität Aarhus, der die Forschung leitete. Aber in Zukunft glaubt er, dass der Behälter in Nanogröße für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden könnte, vom Wirkstofftransportfahrzeug bis zum Logikgatter.

DNA ist ein idealer Baustoff für Nanostrukturen. Es ist einfach, große Mengen zu produzieren: Kjems und sein Team haben einen Virus entführt, um Kopien der von ihnen entwickelten Sequenz herzustellen. Und es faltet sich auf einfache, vorhersehbare Weise entsprechend seiner Reihenfolge. Um die Schachtel zu entwerfen, entwickelte das Aarhus-Team ein Computerprogramm, um eine kontinuierliche einzelsträngige DNA-Sequenz zu generieren, die sich zusammen mit kleineren DNA-Fragmenten, die als Klammern fungieren, in die gewünschte Form selbst zusammenfügt.

Die Sequenz wurde mit vielen komplementären Regionen entwickelt, sodass sie sich automatisch in sechs ungefähr quadratische akkordeonartige Blätter – die Seiten der Schachtel – falten würde, basierend auf der natürlichen Tendenz der DNA, sich zu Doppelsträngen zu paaren. Die DNA-Klammern, die ebenfalls durch die Paarung komplementärer Sequenzen angetrieben wurden, nähten die Kanten der Blätter zusammen, um einen hohlen Würfel mit Klappdeckel zu bilden.

Um den Deckel abschließbar zu machen, haben Kjems und seine Kollegen zwei winzige DNA-Verschlüsse mit klebrigen Enden angefertigt. Unter normalen Umständen haften die Riegel an der Box und halten sie geschlossen. Aber wenn die beiden entsprechenden DNA-Schlüssel hinzugefügt werden, binden sich die Riegel stattdessen an diese, sodass der Deckel aufschwingen kann. Ein Paar Farbstoffmoleküle, von denen eines am Rand der Schachtel und das andere am Deckel befestigt ist, leuchten rot, wenn sie nahe beieinander und grün sind, wenn sie weit voneinander entfernt sind. So lässt sich leicht erkennen, ob eine Schachtel geschlossen oder geöffnet ist.

Querdenken: Die hier grau modellierten Nanoboxen könnten eines Tages Medikamente zu bestimmten Zielorten im Körper transportieren oder als Logikgatter in einem DNA-basierten Computer dienen. Der Deckel jeder Box wird normalerweise mit zwei Paaren komplementärer DNA-Schnipsel (blau und orange) verschlossen. Wenn jedoch entsprechende DNA-Schlüssel (ebenfalls blau und orange) dem Mix hinzugefügt werden, stören sie die Riegel und lassen die Deckel aufschwingen. Fluoreszierende Farbstoffmarker leuchten rot, wenn eine Box geschlossen ist und grün, wenn sie geöffnet ist.

Bei dreidimensionalen Strukturen wie dieser besteht die eigentliche Herausforderung nicht darin, das Objekt zu entwerfen, sondern zu beweisen, dass es erfolgreich geformt wurde, sagt Paul Rothemund , einem Informatiker am California Institute of Technology, der eine einfache Technik zur Herstellung von DNA-Strukturen entwickelt hat. Um sicherzustellen, dass sich die Boxen wie geplant von selbst zusammenbauen, setzten die Forscher verschiedene bildgebende Verfahren ein. Sie haben sehr überzeugend gezeigt, dass sie das gemacht haben, was sie dachten, was wirklich wichtig ist, sagt Rothemund. Und jetzt steht es ihnen frei, es auszuprobieren und es dazu zu bringen, tatsächlich etwas zu tun.

Kjems hat mehrere Ideen, was die Boxen tun könnten. Eine Möglichkeit besteht darin, sie mit Medikamenten zu beladen und die Deckel so zu programmieren, dass sie sich als Reaktion auf einen biologischen Hinweis im Körper öffnen – zum Beispiel das Vorhandensein eines Virus oder eines Krebsgens – und so ihre therapeutische Ladung freisetzen.

In gewisser Weise sind sie interessanter als fast jedes andere Nanoverkapselungsschema, das man sich für diesen Zweck vorstellen kann, weil sie diese unendlich programmierbaren Deckel haben, sagt Rothemund. Das ist etwas, das keine andere Art von Kapsel zur Abgabe von Nano-Medikamenten bieten kann.

Therapeutische Anwendungen sind jedoch noch in weiter Ferne. Während die Boxen theoretisch fest genug sind, um das Austreten großer Moleküle zu verhindern, und geräumig genug, um ein Ribosom oder ein kleines Virus einzuschließen, haben die Forscher noch nicht versucht, etwas hineinzustecken. Und bisher funktionieren die Boxen nur in einem Reagenzglas. Im Gegensatz zu einigen anderen Nanotransportmitteln gibt es noch keine Beweise für die Sicherheit oder Wirksamkeit von DNA-basierten Geräten in lebenden Systemen.

Aber die Schließfächer müssen keine Nutzlast tragen, um sich als nützlich zu erweisen. Kjems stellt sich auch vor, daraus elektronische Komponenten zu machen. Da sie zwei verschiedene Schlüssel haben, fungieren die Kästchen als UND-Gatter, die sich nur öffnen (und grün leuchten), wenn beide Schlüssel vorhanden sind. Mit ein paar einfachen Anpassungen könnten sie auch als NICHT-Gatter oder ODER-Gatter dienen. Im Prinzip, sagt Kjems, könnte man aus diesen Boxen einen DNA-Computer bauen.

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