Nachahmung natürlicher Bewegungen im Nanobereich mit Hilfe der DNA-Origami Technik

Stuttgart – "Es ist uns gelungen, zwei Origami-Filamente zu koppeln und sie kontrolliert auseinander zu bewegen. Wir nennen das Filamentgleiten. Damit haben wir in gewissem Maße ein wesentliches Bewegungsverhalten nachgeahmt, das in der Natur zum Beispiel bei der Zellteilung auftritt." Maximilian Urban ist stolz darauf, dass seine Forschungsarbeit am Freitag, den 13. April 2018 in Nature Communications erscheint. Der Titel seiner Publikation: "Gold nanocrystal-mediated sliding of doublet DNA origami filament", zu deutsch so viel wie „Gold-Nanokristall-vermitteltes Gleiten von zwei parallelen DNA-Origami-Filamenten“. Der 31-jährige Doktorand ist Teil der siebenköpfigen Forschungsgruppe "Smart Nanoplasmonics" am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Seit 2014 arbeitet er an verschiedenen dynamischen Nanosystemen, alle basierend auf der DNA-Origami-Technik. "Unser Ziel ist es, eine Vielzahl von künstlichen Funktionssystemen im Nanobereich zu realisieren. Wir lassen uns dabei von der Natur inspirieren", sagt Laura Na Liu, die mit Urban zusammenarbeitet und die Forschungsgruppe leitet.

Von links nach rechts): Maximilian Urban, Laura Na Liu, Steffen Both, and Chao Zhou

Die Zellteilung ist ein biologischer Prozess, der das Wachstum und die Fortpflanzung aller Lebewesen gewährleistet: eine Mutterzelle teilt sich in zwei Tochterzellen. Die Mutterzelle fällt dabei nicht einfach auseinander. Die beiden Tochterzellen gleiten vielmehr auseinander – in entgegengesetzte Richtung. Ein Proteinmotor namens Kinesin-5 ist mitverantwortlich für diesen Teilungsprozess. Doch wie funktioniert dieser Motor? Man stelle sich eine Zelle vor, die wie eine flexible Kugel aussieht. An der Stelle, wo sich die Zelle teilen wird, befindet sich eine Spur aus Mikroröhrchen an jeder Seite – wie die Leitplanken einer Autobahn. Zahlreiche Proteinmotoren bzw. Kinesin-5s sitzen wie kleine Bälle zwischen diesen Mikroröhrchen. "Die Proteinmotoren verbinden sich mit den Mikroröhrchen auf jeder Seite“, erklärt Urban. „Durch eine Bewegung in entgegengesetzte Richtung bewirken sie alle gemeinsam die Spaltung der Zelle."

In Urbans Forschungsarbeit geht es darum, dieses Gleitverhalten auf der Nanoskala nachzuahmen. Kein leichtes Unterfangen. Um den Zellteilungsprozess simulieren zu können, verwendet der Wissenschaftler ein künstliches dynamisches System aus DNA. Die erste Herausforderung besteht darin, die Strecke aus Mikroröhrchen bzw. Leitplanken nachzubauen an der Stelle, wo sich die Zelle teilt. Für die Leitplanken verwendet Urban DNA-Stränge, die zu DNA-Bündeln geformt wurden. "Wir nennen diese Spuren „DNA-Origami-Bündel“, weil wir schlaffe DNA-Stränge nehmen und sie falten – ähnlich der japanischen Kunst, Papier in Objekte zu falten", fügt Laura Na Liu hinzu. Diese Technik wurde 2006 von Paul Rothemund entwickelt. Durch Falten langer, einzelsträngiger DNA-Moleküle gelang es dem Nanotechnologie-Pionier, Quadrate, Scheiben und sogar Smiley-Gesichter aus DNA herzustellen.

Wissenschaftler nennen DNA-Origami-Bündel „Filamente". Jedes ist etwa 100 Nanometer lang, und durch die Gruppierung von Helices nebeneinander - ähnlich wie eine Wand aus Ziegelsteinen - entsteht eine Spur. Außerdem haben die Filamente kurze einzelsträngige DNA-Stränge, die aus der Spur herausragen. Warum das wichtig ist, wird später klar werden.

Zurück zu den Filamenten. "Wenn wir nur einen DNA-Strang benutzen würden, wäre dieser sehr schlaff. Aber wenn wir DNA zu Bündeln falten, werden sie so starr, dass unsere Gold-Nanokristalle andocken bzw. hybridisieren und die Spuren verschieben können", erklärt Laura Na Liu. Hybridisierung bedeutet, ein Paar zwischen komplementären Regionen zweier einzelner DNA-Stränge zu bilden, die ursprünglich nicht gepaart waren.

Die zweite Herausforderung besteht darin, das Gegenstück zum Proteinmotor zu bauen, der in realen Zellen dafür verantwortlich ist, dass die beiden Tochterzellen auseinanderdriften. Maximilian Urban verwendet dafür Gold-Nanokristalle (siehe Bild). "Sie sehen aus wie kleine goldene Kugeln, zehn Nanometer groß. Ich beschichte sie mit hunderten von Fäden einzelsträngiger DNA, die abstehen, als ob dem Nanokristall die Haare zu Berge stehen würden," sagt er lächelnd. „Diese DNA-Fäden auf dem Nanokristall docken an an die einzelnen DNA-Stränge, die aus den Leitplanken bzw. den DNA-Origami-Bündeln herausragen. Durch diese Bindung entsteht ein DNA-Doppelstrang. „Indem wir fein abgestimmte DNA-Schnipsel hinzufügen, können wir einzelne Verbindungen öffnen und so die Goldkugel an einer Stelle freisetzen. Gleichzeitig können wir einen weiteren Satz DNA-Schnipsel verwenden, um die Kugel an der nächsten Stelle an die Bahn zu binden. Dadurch beginnt sich der Goldkristall zwischen den Origami-Spuren zu drehen. Ich vergleiche das gern mit einer Zahnradbahn. Durch geschickte Anordnung der Bausteine in unserem System ist es uns möglich, zwei Filamente in entgegengesetzte Richtungen hin und her zu bewegen."

Goldkugeln dienen als Motor, um zwei Origami-Leitplanken in entgegengesetzte Richtung zu verschieben.

Sowohl Urban als auch Liu investieren viel Zeit und Mühe in ein Forschungsfeld namens dynamische DNA-Nanotechnologie oder dynamic DNA nanotechnology. "Wir möchten die verschiedenen Funktionen erforschen, die natürliche Systeme erfüllen können – in diesem Fall molekulare Motoren. In unserer Forschung geht es um die Fähigkeit, Dinge gezielt und definiert in einer flüssigen Umgebung steuern zu können. Es ist uns gelungen, zwei Filamente mit Hilfe von Gold-Nanokristallen zu koppeln und die Filamente auseinander zu bewegen – so wie es Proteinmotoren mit Mikroröhrchen tun".

Nanomaschinen aus Molekülen – das Forschungstrio Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart und Bernard Feringa haben molekulare Systeme mit steuerbaren Bewegungen entwickelt, um bestimmte Aufgaben erfüllen zu können, wenn ihnen Energie zugeführt wird. Sie erhielten dafür 2016 den Nobelpreis für Chemie. "Es gab spannende und inspirierende Fortschritte bei der Synthese winziger Maschinen, die grundlegende Funktionen wie lineare Bewegungen oder Rotationen ausführen. Das ist die Richtung, die wir ebenfalls eingeschlagen haben, aber mit Hilfe der DNA-Nanotechnologie", sagt Urban. "Unsere Motivation ist es, etwas nachzubauen – denn nur dann, wenn man etwas nachahmt, kann man es wirklich verstehen. Zweitens – aber das liegt weit in der Zukunft – streben wir Anwendungen in der Nanomedizin an, indem wir Nanoroboter entwickeln, die selbstständig vordefinierte Aufgaben im Körper übernehmen können. Wir möchten künstliche molekulare Fabriken bauen, in denen wir Nanoroboter mit effektiver Sensorik und Rückkopplungskontrolle herstellen können, so dass sie Medikamente transportieren und dorthin liefern können, wo sie gebraucht werden, zum Beispiel zu einer Krebszelle".

Weitere mögliche Anwendungsgebiete sind künstliche Zellsysteme. Na Liu erläutert: "In unserem Forschungsfeld ist die Frage noch nicht ganz geklärt, wie wir künstliche Zellen mit allen künstlichen Komponenten nachbauen können".

Die Publikation "Gold nanocrystal-mediated sliding of doublet DNA origami filaments" (DOI 10.1038/s41467-018-03882-w) wird am Freitag, den 13. April 2018 auf der Nature Communications Website veröffentlicht. Die Sperrfrist endet um 10:00 Uhr Londoner Zeit, 11 Uhr deutsche Zeit. Sie wird unter www.nature.com/ncomms abrufbar sein.

Maximilian Urban, geboren 1987, studierte Life Science an der Universität Konstanz. Während seines Studiums verbrachte er als Erasmus-Student ein Semester an der Universität der Azoren in Portugal und an der International Helmholtz Research School of Biophysics and Soft Matter am Forschungszentrum Jülich. Derzeit ist er Doktorand am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg und Gastwissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Er erhielt ein Stipendium der Carl-Zeiss-Stiftung für seine Forschungsarbeiten an DNA-basierten Nanomaschinen.

Steffen Both, geboren 1990, studierte Optik und Photonik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Während seines Studiums absolvierte er einen halbjährigen Aufenthalt bei der Firma TRUMPF in Connecticut (USA). Er schrieb seine Diplomarbeit in der Gruppe von Martin Wegener und beschäftigte sich mit plasmonischen Metasurfaces. Derzeit ist er Doktorand in der Gruppe von Thomas Weiss am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart und Mitglied des Stuttgarter Forschungszentrums für Photonik (SCoPE). Zentrales Thema seiner Arbeit ist die theoretische Beschreibung der Kopplung von Quantenemittern an plasmonische Nanostrukturen.

Chao Zhou, geboren 1986, studierte Chemie an der Tsinghua Universität in Peking. Derzeit arbeitet er als Wissenschaftler in der Arbeitsgruppe von Laura Na Liu am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Er arbeitet an DNA-basierten molekularen Maschinen.

Laura Na Liu Laura Na Liu ist Leiterin der Forschungsgruppe “Smart Nanoplasmonics” am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und Professorin am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. Sie promovierte 2009 in Physik an der Universität Stuttgart, wo sie sich mit 3D-Komplexplasmonen bei optischen Frequenzen beschäftigte. Im Jahr 2010 arbeitete sie als Postdoktorandin an der University of California, Berkeley. Seit 2011 ist sie Gastprofessorin an der Rice University. Ende 2012 wurde sie selbstständige Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart. Seit 2015 ist sie auch an der Universität Heidelberg tätig. Laura Na Liu´s Forschungsinteresse ist multidisziplinär. Sie arbeitet an der Schnittstelle zwischen Nanoplasmologie, Biologie und Chemie. Ihre Gruppe konzentriert sich auf die Entwicklung anspruchsvoller und intelligenter plasmonischer Nanosysteme zur Beantwortung von Fragen der Strukturbiologie sowie der katalytischen Chemie im lokalen Umfeld.

Laura Na Liu erhielt mehrere renommierte Auszeichnungen, darunter den Hertha-Sponer-Preis der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) (2010), den Nanowissenschaftspreis AGENT-D (2011), den Sofja Kovalevskaja-Preis der Alexander von Humboldt-Stiftung (2012), Elisabeth Schiemann-Kolleg des Max-Planck-Stipendiums (2013), den Heinz Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) (2014), einen Starting Grant Award des Europäischen Forschungsrates (ERC) (2014), den Light2015 Young Woman in Photonics Award der European Optical Society (EOS) (2015) und den IUPAP Young Scientist Prize in Optics der International Commission for Optics (ICO) (2016).