DNA-Nanosysteme

Die Arbeitsgruppe erforscht und entwickelt DNA-basierte Werkzeuge für die biomedizinische Forschung. Dabei werden DNA-Moleküle und deren Eigenschaften genutzt, um damit Biomaterialien nanometergenau anzuordnen und zu struk­turieren. Anwendung findet diese Technologie bei der Entwicklung von Biosensoren und Nanoschaltungen für Biochips. Darüber hinaus wird die Technologie verwendet, um neue Verfahren zum spezifischen Molekültransport in vivo und in vitro zu entwickeln.

Die Gruppe untersucht dafür die biochemischen und bio­physi­kalischen Eigenschaften spezi­fischer DNA-Moleküle sowie von Verbundmaterialien, um daraus konkrete Anwendungen abzuleiten.

Die Gruppe wird seit 2013 durch das Attract-Programm der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

DNA-Selbstanordnung und »Molecular Programming«

DNA-Hybridisierung ist die momentan fortgeschrittenste Methode des programmierten Selbstaufbaus von nanometergroßen Objekten mit kontrollierter Morphologie und Oberflächeneigenschaften. Techniken, wie das DNA-Origami oder auch die DNA »Lego«-Methodik, nutzen die bekannte biophysikalische Eigenschaft der komplementären Basenpaarung zur Erschaffung verzweigter »Holliday junctions« zwischen drei oder mehreren DNA-Einzelsträngen, um komplexe zwei- oder dreidimensionale Formen zu erschaffen. DNA-Moleküle können somit als hochflexible, programmierbare Bausteine verwendet werden. Computerunterstützte Programme und neu entwickelte Automatisierungstechniken ermöglichen ein schnelles und präzises Design solcher Bausteine und die Herstellung von Objekten nahezu jeglicher Form im Nanometerbereich.

Rasterkraftmikroskopie

Die Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy AFM) ist ein Verfahren zur Untersuchung von Materialien auf molekularer Ebene, welches präzise strukturelle und funktionelle Informationen liefert. Durch Scannen des Materials mit einer nur wenige Atome breiten Messspitze (tip) können nanometergroße Merkmale aufgelöst werden. Des Weiteren erlaubt die AFM-basierte Spektroskopie die Messung sehr kleiner Kräfte bis in den Picometerbereich sowie lokaler elastischer Eigenschaften biologischer Materialien wie Gele, Zellen, etc.

Zielgenaue Stimulation von EphA2 Rezeptoren durch DNA-vermittelte Oligovalenz

Durch Bindung der Peptid-gekoppelten DNA-Trimere an EphA2-Rezeptoren (grün) formen sich Rezeptorcluster. Anschließend kommt es zur Auto­phosphorylierung und Aktivierung tumorunterdrückender Signalwege
© Fraunhofer IZI

Durch Bindung der Peptid-gekoppelten DNA-Trimere an EphA2-Rezeptoren (grün) formen sich Rezeptorcluster. Anschließend kommt es zur Auto­phosphorylierung und Aktivierung tumorunterdrückender Signalwege.

In der DNA-Nanotechnologie werden DNA-Stränge nicht aufgrund ihrer genetischen Kodierungsfähigkeiten, sondern als Baumaterial verwendet. Mit rationalen Konstruktions­prinzipien können einzelne DNA-Stränge zu präzisen Nano­strukturen nahezu beliebiger Form zusammengefügt werden. Diese Nanostrukturen ermöglichen die Anlagerung funktioneller Moleküle wie Peptide an nahezu jeder eindeutigen Stelle ihrer Struktur. Da Strukturmerkmale mit der räumlichen Auflösung eines einzelnen Basenpaares (0,34 Nanometer) geändert werden können, ist es möglich, mehrere Moleküle in einer genau kontrollierten Geometrie anzubringen. Wenn diese Moleküle Liganden sind, die an bestimmte Ziele binden, kann ihre räumliche Anordnung entsprechend der Geometrie des gewünschten Ziels gesteuert werden. Dies führt zu optimierten Bindungs- und / oder Signalwechsel­wirkungen.

In diesem Projekt wurde die Wirksamkeit von SWL, einem ephrinähnlichen Peptid, das spezifisch an Ephrin A2 (EphA2) -Rezeptoren bindet, um einen Faktor von fast vier Größenordnungen gesteigert. Dies gelang, indem drei dieser Peptide auf kleinen DNA-Nanostrukturen so präsentiert wurden, dass oligo­valente Bindung an den Zielrezeptor möglich ist. Ephrin-Signalwege spielen eine entscheidende Rolle bei der Ent­stehung und beim Fortschreiten vieler Krebsarten und sind potenzielle Ziele bei der Diagnose, Bildgebung und Behandlung von Krebs.

Hier wurde der Einfluss der SWL-Valenz auf die Bindungs­affinität, die Phosphorylierung (entscheidender Schritt für die Aktivierung) und die Regulation von EphA2-exprimierenden Prostatakrebszellen im Phänotyp nachgewiesen. DNA-Strukturen mit drei SWL-Peptiden erhöhten die EphA2-Phosphorylierung um das 8000-fache. Darüber hinaus zeigte die punktgenaue Interaktion dieser Konstrukte einen stärkeren Einfluss auf die Form von Zellen im Vergleich zu Ephrin A1, einem der natürlichen Liganden von EphA2. Diese Ergebnisse zeigen, dass einfache DNA-Strukturen verwendet werden können, um die Wirksamkeit von schwachen Peptiden unter Verwendung einer oligovalenten Anordnung im Nanometerbereich stark zu steigern.

Progammierung mechanischer Eigenschaften von Biomaterialen mit DNA

Beispiele gebündelter, Stern-ähnlicher, vernetzter und kompakter Micropartikelstrukturen, die aus DNA-Röhren geformt wurden. (von New J. Phys. 18 (5), 055001)

Beispiele gebündelter, Stern-ähnlicher, vernetzter und kompakter Micropartikelstrukturen, die aus DNA-Röhren geformt wurden. (von New J. Phys. 18 (5), 055001).

Jenseits ihrer üblichen Rolle als Träger genetischer Informa­tionen in lebenden Organismen, wurde DNA ebenfalls als höchst vielseitiges Material für die Herstellung von Nano­partikeln und -maschinen bekannt. Durch sorgfältiges Ent­werfen der Sequenzen einer DNA-Strang-Auswahl kann die komplementäre Basenpaarung genutzt werden, um Größe, Form und mechanische Eigenschaften einzelner DNA-basierter Nanopartikel oder größerer DNA-basierter Materialien zu kontrollieren.

Ein Beispiel schließt Materialien ein, die aus DNA-Nanoröhren geformt werden. Eine kleine Auswahl von DNA-Strängen wird so entworfen, dass mikrometerlange Filamente selbst­ständig assemblieren. Ihre nanometergroßen Durchmesser können präzise kontrolliert werden, um ihre nanoskaligen mechanischen Eigenschaften zu programmieren. Diese können als künstliche Imitate biologisch abgeleiteter Strukturen wie Aktin- oder Kollagen-Filamente eine Rolle spielen. Zusätzlich befähigt die programmierbare Natur der DNA-Stränge Parameter wie Steifigkeit einzelner Nanoröhren selektiv zu kontrollieren, was mit biologisch abgeleiteten Materialien wie Aktin und Kollagen unmöglich ist.

Durch die Bildung von DNA-Nanoröhren in einer gedrängten molekularen Umgebung, wie sie auch in Zellen vorkommt, können sie außerdem zu Mikrostrukturen assemblieren, die von ihrer Steifigkeit und ihrem Volumenanteil abhängen. Diese sternähnlichen bzw. gebündelten Struk­turen ähneln zellulären Strukturen wie Stressfasern, Filopo­dien oder mitotischen Spindeln, und sind Werkzeuge, die Einblicke in die grundlegenden Mechanismen ihrer Bildung in biolo­gischen Systemen geben.

Zusätzlich bilden DNA-Nanoröhren bei geringeren Volumen­anteilen eng verstrickte, elastische Hydrogele. Ihre Elastizität (G‘) kann über eine weite Spanne eingestellt werden, indem die Netzwerkdichte oder die Steifigkeit der einzelnen DNA-Nanoröhren verändert wird. Dadurch ist es möglich, die Steifigkeit des Hydrogels genau festzulegen und unabhängig davon Faktoren, wie zum Beispiel die Poren­größe, beizu­behalten. Die Möglichkeit, makroskopische Eigenschaften durch programmierbare, nanometergroße Bau­steine zu kontrollieren, kann in einem viel breiteren Spektrum angewendet werden. So zum Beispiel können funktionelle Materialien für zellbasierte Anwendungen, wie zum Beispiel die 3D-Zellkultur, oder für Nährstoffablagerungen in Lang­zeitbioreaktoren entwickelt werden.

Weitere Projekte

  • Entwicklung molekularer Träger und immunologischer Systeme von DNA und Hybridmaterialien
  • Energieumwandlung und Ordnungsphänomene in DNA-basierten und zusammengesetzten Nanomaterialien
  • Mechanische Charakterisierung von DNA-basierten und zusammengesetzten Nanomaterialien

  • Universität zu Köln, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Department für Chemie, Institut für Biochemie
  • pluriSelect GmbH
  • Universität Leipzig, Veterinärmedizinische Fakultät, Veterinär-Anatomisches Institut
  • Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Zentrum für Mikrotechnologien
  • Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Physik, Lehrstuhl für Experimentalphysik: Physik weicher Materie und Biophysik
  • Yale University, Yale School of Medicine, Department of Molecular Biophysics and Biochemistry
  • Technische Universität Dresden, Biotechnologisches Zentrum (BIOTEC)

  • Möser C, Lorenz JS, Sajfutdinow M, Smith DM. Pinpointed Stimulation of EphA2 Receptors via DNA-Templated Oligovalence. International Journal of Molecular Sciences (2018), Nr.19, 19 S. dx.doi.org/10.3390/ijms19113482
  • Sajfutdinow M, Jacobs WM, Reinhardt A, Schneider C, Smith DM. Direct observation and rational design of nucleation behavior in addressable self-assembly. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018. 115(26): p. E5877-5886. doi.org/10.1073/pnas.1806010115 (open access)
  • Engel MC, Smith DM, Jobst MA, Sajfutdinow M, Liedl T, Romano F, Rovigatti L, Louis AA, Doye JPK. Force-Induced Unravelling of DNA Origami. ACS Nano, 2018. 12(7): p. 6374-6747. doi.org/10.1021/acsnano.8b01844 (no free version available)
  • Lorenz JS, Schnauß J, Glaser M, Sajfutdinow M, Schuldt C, Käs JA, Smith DM. Synthetic Transient Crosslinks Program the Mechanics of Soft, Biopolymer‐Based Materials. Advanced Materials, 2018. 30(13): p. 1706092. doi.org/10.1002/adma.201706092. (free preprint version)
  • Oswald L, Grosser S, Smith DM, Käs JA. Jamming transitions in cancer. Journal of Physics D Applied Physics, 2017. 50(48): p. 483001. doi.org/10.1088/1361-6463/aa8e83 (open access)
  • Schnauß J, Glaser M, Lorenz JS, Schuldt C, Möser C, Sajfutdinow M, Haendler T, Käs JA, Smith DM. DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers. Journal of Visualized Experiments: JoVE, 2017. 128. doi.org/10.3791/56056 (no free version available)
  • Schnauß J, Käs JA, Smith DM. Contact-free Mechanical Manipulation of Biological Materials. in Springer Handbook of Nanotechnology, 2017 Springer Press. p. 617-641. doi.org/10.1007/978-3-662-54357-3_20 (no free version available)
  • Sajfutdinow M, Uhlig K, Prager A, Schneider C, Abel B, Smith DM. Nanoscale patterning of self-assembled monolayer (SAM)-functionalised substrates with single molecule contact printing. Nanoscale, 2017. 9(39): p. 15098-15106. doi.org/10.1039/C7NR03696E (open access)
  • Schuldt C, Schnauß J, Händler T, Glaser M, Lorenz J, Golde T, Käs JA, Smith DM. Tuning Synthetic Semiflexible Networks by Bending Stiffness. Physical Review Letters, 2016. 117(9): p. 197801. doi.org/10.1103/PhysRevLett.117.197801 (free preprint version)
  • Glaser M, Schnauß J, Tschirner T, Schmidt BUS, Moebius-Winkler M, Käs JA, Smith DM. Self-assembly of hierarchically ordered structures in DNA nanotube systems. New Journal of Physics. 2016. 18(5): p. 055001. doi.org/10.1088/1367-2630/18/5/055001 (open access)
  • Nickels PC, Ke Y, Jungmann R, Smith DM, Leichsenring M, Shih WM, Liedl T, Högberg B. DNA origami structures directly assembled from intact bacteriophages. Small. 2014 May 14;10(9):1765-9. doi.org/10.1002/smll.201303442 (no free version available)
  • Schreiber R, Luong N, Fan Z, Kuzyk A, Nickels PC, Zhang T, Smith DM, Yurke B, Kuang W, Govorov AO, Liedl T. Chiral plasmonic DNA nanostructures with switchable circular dichroism. Nature Commuications, 2013. 4: p. 2948. doi.org/10.1038/ncomms3948 (open access)
  • Smith DM, Schüller V, Engst C, Rädler J, Liedl T. Nucleic acid nanostructures for biomedical applications. Nanomedicine, 2013. 8(1): p. 105-121. doi.org/10.2217/nnm.12.184 (no free version available)
  • Smith DM, Schüller V, Forthmann C, Schreiber R, Tinnefeld P, Liedl T. A structurally variable hinged tetrahedron framework from DNA origami. J. Nuc. Acid., 2011. dx.doi.org/10.4061/2011/360954 (open access)