Europäer gehen bis an die Grenzen der Bionanotechnologie
Wieder einmal ist Forschern aus Deutschland ein wesentlicher Durchbruch in der Bionanotechnologie gelungen, diesmal auf dem Gebiet der Festkörper-Nanoporen, deren Funktionalität sie verbesserten, indem sie sie mit Deckeln aus Desoxyribonukleinsäure (DNS) verschlossen. Dieser bemerkenswerte Fortschritt gelang teilweise Dank des Projekts DNA ORIGAMI DEVICES ("Single-molecule studies of protein-protein-DNA interactions, enabled by DNA origami"), das ein Stipendium des Europäischen Forschungsrats (ERC) in Höhe von 1,5 Mio. EUR unter dem Siebten Rahmenprogramm der EU (RP7) erhielt. Dieses Projekt öffnete neue Möglichkeiten für das systematische Studium makromolekularer Interaktionen in der Biologie und wird unser Wissen über regulatorische Prozesse in der Biologie aller Wahrscheinlichkeit nach vergrößern. Die Ergebnisse dieser neusten Studie kamen in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie International Edition zur Veröffentlichung. Alles im Nanobereich bezieht sich auf Dinge, die so klein sind, dass sie nur im Milliardstel gemessen werden können. In diesem Fall handelt es sich bei den Nanoporen um sehr kleine Löcher, in der Regel in synthetischen Materialien wie Graphem oder Silikon, die zur Analyse und Sequenzierung einzelner Nukleinsäuremoleküle verwendet werden. Die Nanoporen-Biotechnologie stellt einen der vielversprechendsten Ansätze zur Entdeckung und Analyse einzelner Moleküle dar. Den Forschern der Technischen Universität München (TU) war es gelungen, die Funktionalität von Festkörper-Nanoporen zu verbessern, indem sie diese mit Deckeln aus DNS als eine Art Verschluss versehen haben. Zentrale Öffnungen in diesen Nanoplättchen-Deckeln, die mit dem sogenannten DNS-Origami-Verfahren gebildet werden, fungieren als "Torwächter". Origami ist in diesem Fall die Kunst, DNS-Strukturen so zu falten, dass sie maßgeschneiderte Strukturen mit spezifischen chemischen Eigenschaften bilden. Dies stellt für die Branche als Ganzes einen wesentlichen Durchbruch mit weitreichenden Folgen dar. Diese Errungenschaft war keine einfache, sondern ist das Ergebnis jahrelanger harter Arbeit durch unterschiedliche Teams. Ein Team unter der Leitung von Professor Hendrik Dietz von der TUM konzentrierte seine Bemühungen auf die Verfeinerung der Kontrolle über die DNS-Origami-Techniken und demonstrierte, dass die damit hergestellten Strukturen für Forschungszwecke in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden können. Ein anderes Forscherteam an der TUM unter der Leitung von Dr. Ulrich Rant tat dasselbe, jedoch auf dem Gebiet der Festkörper-Nanoporen-Sensoren, bei denen es das grundlegende Funktionsprinzip ist, die gewünschten Biomoleküle einzeln durch eine dünne Halbleitermembran mit wenige Nanometer großen Öffnungen zu schleusen. Wenn Biomoleküle durch diese Poren schlüpfen oder dort verweilen, liefern kleinste Änderung des elektrischen Stroms, der durch die Nanoporen fließt, Informationen über ihre charakteristischen physikalischen Eigenschaften. Durch die Zusammenarbeit waren die Teams in der Lage, ein neues Gerätekonzept zu entwickeln, welches bisher rein hypothetisch gewesen ist. Dabei wird ein DNS-Origami-Nanoplättchen über dem schmalen Ende einer konisch zulaufenden Festkörper-Nanopore positioniert. Durch die Modifikation der Größe der zentralen Öffnungen in der DNS-Nanoplatte lässt sich eine Filterung von Molekülen nach Größe erreichen. Darüber hinaus werden Einzelstrang-DNS-Rezeptoren in der Öffnung als eine Art Köder platziert, die sequenzspezifische Zielmoleküle bilden und damit den Nachweis einzelner Moleküle ermöglichen. Im Prinzip könnte ein solches Gerät als Grundlage für ein neues DNS-Sequenzierungssystem dienen. "Wir freuen uns darüber, dass wir mit unserem Köder aus spezifischen DNS-Sequenzen einzelne Moleküle herausfiltern und nachweisen konnten", erläutert Professor Dietz. "Denn neben DNS können sich auch eine Menge andere chemische Bestandteile des Stoffgemisches an der entsprechenden Stelle des DNS-Nanoplättchen unspezifisch anheften." Für den Einsatz der hoch spezifischen Messverfahren wie der DNS-Sequenzierung gilt es noch einige Hürden zu überwinden, erläutert Dr. Rant: "Nanoporen und ihre DNS-Origami-Torwächter sind so konzipiert, dass sie kleinen Ionen den Durchgang ermöglichen. Bei manchen denkbaren Anwendungen wird dies zu einem ungewollten Ableitstrom, der samt dem Umfang der Stromfluktuationen reduziert werden muss."Weitere Informationen sind abrufbar unter: Technische Universität München (TUM): http://portal.mytum.de/welcome/ Angewandte Chemie International Edition: http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)1521-3773
Länder
Deutschland