DNA-Nanosysteme

Projekte

Glyco3Display – Screening von DNA-Polysaccharid Konstrukten als anti-pathogene Substanzen

Zuckermoleküle werden an kleine, verzweigte DNA-Strukturen konjugiert, die aus vier einzelnen DNA-Strängen gebildet werden. Wenn sie an Magnet­kügelchen gebunden sind, können sie für das Hochdurchsatz-Screening verwendet werden, um zu bestimmen, wie Verbindungen an Bakterien wie E. coli binden
© Fraunhofer IZI
Zuckermoleküle werden an kleine, verzweigte DNA-Strukturen konjugiert, die aus vier einzelnen DNA-Strängen gebildet werden. Wenn sie an Magnet­kügelchen gebunden sind, können sie für das Hochdurchsatz-Screening verwendet werden, um zu bestimmen, wie Verbindungen an Bakterien wie E. coli binden.

Polysaccharide, auch Glykane genannt, sind lange und komplexe Zuckermoleküle, die aus einer Kette von Mono­sacchariden, wie Mannose, Glucose oder Fructose, bestehen. Auf der Oberfläche menschlicher Zellen sind eine große Anzahl an Glykanen zu finden. Pathogene Bakterien oder Viren nutzen diese Moleküle zum Erkennen, Binden und Infizieren von Wirtszellen. Daher sind aus medizinischer Sicht Zuckermoleküle wie Mannose, Heparin oder Sialinsäure, die sich auf der Membran menschlicher Zellen befinden, besonders interessant. Des Weiteren spielt die Geometrie im Nanometerbereich eine entscheidende Rolle, da Viren und Bakterien die Prinzipien der Multivalenz nutzen, bei der zwei oder drei zuckerbindende Rezeptoren zusammenwirken, um ihre Bindungsaffinität zu erhöhen und so das Ziel effizienter zu infizieren.

Im Projekt Glyco3Display werden neuartige Verbindungen auf Kohlenhydratbasis erstellt, indem verschiedene Glykan­moleküle Verwendung finden, die an DNA-basierte Strukturgerüste gebunden werden. Der Ansatz ermöglicht es, präzise Anordnungen definierter Glykanketten mit einer räumlichen Auflösung von einem Nanometer zu erstellen. Hierfür werden zwei Schlüsseltechnologien, die DNA-Nanotechnologie des Fraunhofer IZI und die automatisierte Glykansynthese des Max-Planck-Instituts für Kolloide und Grenzflächen, kombiniert.

In den frühen Phasen des Projekts konzentrierte sich die Arbeit auf die Erstellung eines Hochdurchsatz-Assays zur Untersuchung der Bindung spezifischer Glykane und deren Isomere an Zielpathogene wie E.coli-Bakterien.

Die Fähigkeit an der Oberfläche des Pathogens zu binden, wird von der genauen Glykan-Zusammensetzung sowie deren geometrischer Anordnung auf den DNA-Gerüsten beeinflusst. Durch die Integration von DNA-Glykan-Verbindungen auf magnetischen Beads kann jedes standardmäßige, automatisierte Durchflusszytometer verwendet werden, um diesen Einfluss zu quantifizieren.

Mit den aus diesem Testsystem gewonnenen Informationen können neue DNA-Glykan-Verbindungen sowohl für diagnostische als auch für therapeutische Zwecke entwickelt werden. Indem die Oberfläche von Viren oder Bakterien mit diesen Verbindungen bedeckt wird, kommt es zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Infektiosität. Diese Arten von »anti­adhäsiven« oder »fusionshemmenden« Verbindungen werden zunehmend für den medizinischen Markt entwickelt. In ähnlicher Weise kann die spezifische Bindung dieser DNA-Glykan-Verbindungen an die Oberfläche von Krankheits­erregern anstelle von herkömmlichen Fang-Antikörpern in der fortgeschrittenen Krankheitsdiagnostik genutzt werden.

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.

Programmierung 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