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Isabelle Seemann: DNA als Baustoff

Seit der Entwicklung der Nanotechnologie in den 1980er-Jahren ist DNA in vielen Bereichen als Baustoff eingesetzt worden. Drähte, Gitter oder auch Nanoroboter können aus dem vielseitigen Material gebaut werden. Isabelle Seemann, Forscherin an der Universität Konstanz, beschäftigt sich mit einer besonderen DNA-Konstellation, der sogenannten Dreiwegekreuzung. Die Ergebnisse ihrer Forschung sind in den verschiedensten Wissensbereichen von Bedeutung, von der Materialwissenschaft über die Analytik bis hin zur Diagnostik. Unter anderem könnten Dreiwegekreuzungen als Biosensoren eingesetzt werden, die gleichzeitig gefährliche Moleküle binden, sichtbar machen und bekämpfen.

Die Konstanzer Wissenschaftlerin Isabelle Seemann © privat

In der Konstruktion von Nanoarchitekturen spielen DNA-Strukturen eine wesentliche Rolle, da sie auf vielfältige Weise sowohl miteinander als auch mit anderen Molekülen verbunden werden können. Ein Beispiel dafür ist die Dreiwegekreuzung, bei der drei DNA-Stränge miteinander verknüpft werden. „DNA-Dreiwegekreuzungen können entweder vollständig gepaart sein oder ungepaarte Basen am Verzweigungspunkt aufweisen“, erklärt Isabelle Seemann, Forscherin an der Universität Konstanz.

Sind ungepaarte Basen vorhanden, so lässt sich die Form der Dreiwegekreuzung verändern. Neben der ursprünglichen offenen Struktur kann sich dann noch eine andere bilden, bei der zwei Arme in einem Winkel von 180 Grad zueinander stehen – ein sogenanntes „stacked“ Konformer. Die offene Formation zeichnet sich durch ein hohes Maß an Flexibilität aus: Die DNA-Arme sind beweglich und können in unterschiedlichen Abständen zueinander stehen. Die gestackte Formation hingegen ist sehr stabil – hier sind die Abstände zwischen den Armen fest definiert.

Abbildung A zeigt die zwei Zustände, zwischen denen eine Dreiwegekreuzung wechseln kann. Ohne Zugabe eines Liganden befindet sie sich in einem offenen, y-förmigen Zustand. Wenn nun ein Ligand, in diesem Fall ATP, hinzugefügt wird, verbindet er sich mit dem Aptamer (rot eingezeichnet) und die Dreiwegekreuzung nimmt einen gestackten, h-förmigen Zustand an. © Adapted with permission from J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (13), pp 4706–4709. Copyright 2012 American Chemical Society.

Seemann ist es nun gelungen, die Dreiwegekreuzung zwischen den beiden Zuständen wechseln zu lassen. Um diesen Wechsel zu erreichen, muss zunächst ein sogenanntes Aptamer in die Dreiwegekreuzungen eingefügt werden, eine Nukleinsäuresequenz, die sich mit äußeren Liganden, in diesem Fall Adenosintriphosphat (ATP) verbinden kann. „Das Aptamer bildet eine sogenannte „stem-bulge-stem“-Struktur aus, besitzt also eine Art Hohlraum, in dem zwei ATP-Liganden gebunden werden können“, bemerkt Isabelle Seemann. Durch diese Bindung ändert die Dreiwegekreuzung ihre Struktur von der offenen zu der gestackten Formation.

Abbildung B zeigt den experimentellen Nachweis für die Konformationsänderung der Dreiwegekreuzung durch Zugabe des Liganden ATP. Auf einem Polyacrylamidgel kann die Dreiwegekreuzung aufgespalten werden. Ohne Zugabe von ATP ist nur eine einzelne Bande erkennbar, bei steigender Konzentration von ATP formiert sich eine zweite. Die zweite Bande entwickelt sich durch die Entstehung von gestackten Dreiwegekreuzungen, die schneller im Gel verlaufen als die offenen. © Adapted with permission from J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (13), pp 4706–4709. Copyright 2012 American Chemical Society.

Neuartige Materialien, die auf Veränderungen in der Umgebung reagieren

Die Anwendungsmöglichkeiten von Seemanns Forschung sind vielfältig und erstrecken sich auf die Gebiete der Materialwissenschaft, Analytik und Diagnostik. Dabei spielt sowohl die Verknüpfung der Dreiwegekreuzungen untereinander als auch ihre Verbindung mit anderen Molekülen, etwa Goldpartikeln oder Halbleiternanopartikeln eine Rolle. „Bringt man mehrere dieser Nanopartikel in räumliche Nähe, kann ein Energietransfer zwischen den Partikeln stattfinden, der stark von der Distanz der Partikel zueinander abhängt“, so Seemann. Bindet man sie nun an die Arme von Dreiwegekreuzungen, so lässt sich durch Ligandenzugabe der Energietransfer gezielt steuern: Die Distanz der Partikel untereinander ändert sich mit dem Wechsel von der offenen zur gestackten Formation. Mittels dieses Prinzips ließen sich Materialien konstruieren, die auf Veränderungen in ihrer Umgebung reagieren können. Sie könnten etwa in der Solartechnologie oder im optischen Bereich bei der Entwicklung von Linsen eingesetzt werden.

Verbesserte Nachweisverfahren durch Nanogitter

Auf einem ähnlichen Prinzip beruhen Fluoroimmunassays. Immunassays sind Verfahren, mit deren Hilfe sich Substanzen beispielsweise in Blut, Serum oder Urin nachweisen lassen. Bindet sich nun ein in eine Dreiwegekreuzung eingefügtes Aptamer an einen Nachweisstoff, so ändert sich die Konstellation der Dreiwegekreuzung und damit auch die Anordnung der mit der Dreiwegekreuzung verknüpften Partikel. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die Verknüpfung mehrerer Dreiwegekreuzungen in einem Nanogitter. Bei Ligandenzugabe ändert sich die Formation nicht nur einer, sondern einer Vielzahl von Dreiwegekreuzungen. Wird durch die Ligandenzugabe ein Effekt wie zum Beispiel Fluoreszenz ausgelöst, so verstärkt sich der Effekt durch die Vielzahl der vernetzten Dreiwegekreuzungen.

Im medizinischen Bereich bestechen solche Sensoren dadurch, dass sie verschiedene Aufgaben in sich vereinen, etwa bei der Sichtbarmachung von kranken Zellen. Trägt eine Zelle beispielsweise ein bestimmtes für Krebszellen spezifisches Protein, so kann das Aptamer entsprechend designed werden, dass es dieses Protein spezifisch bindet und folglich eine Konformationsänderung auslöst, die kranke Zelle sichtbar macht und wenn möglich in einer nachfolgenden Reaktion direkt bekämpft. Sensoren können allerdings nicht nur optischer, sondern auch elektrochemischer Natur sein. So könnte aus einem Nanogitter beispielsweise ein Material hergestellt werden, das seine Leitfähigkeit abhängig von einer Bedingungsänderung (Ligand) ändert. Auf diese Weise könnten spezifische Substanzen diagnostisch nachgewiesen werden, etwa in Drogenscreenings.

Solche elektronischen Bauteile können auch als eine Art biologischer Transistor zur Herstellung von biologischen Computern dienen. Die enorme Speicherkapazität der DNA, die es möglich macht, die gesamte Erbinformation mit nur vier Basen zu codieren, soll dabei für die Entwicklung leistungsfähiger Computer genutzt werden. Bisher ist es gelungen verschiedene Schaltkreise und logische Gatter aus DNA herzustellen. Die Vernetzung zu größeren Strukturen, die auf einen spezifischen Input (hier: ATP) mit einem entsprechenden Output (hier: Konformationsänderung/Schaltung) reagieren, ist ein wichtiger Schritt für die Verwirklichung der biologischen Computer.

Auf Abbildung A ist die Verknüpfung von Dreiwegekreuzungen untereinander in Nanogittern dargestellt. Durch Zugabe eines Liganden wechseln sie von der offenen zur gestackten Variante. Nanogitter sind insbesondere für die Materialwissenschaft von Bedeutung, wo sie beispielsweise als Sensoren eingesetzt werden. Abbildung B zeigt die Verknüpfung von Dreiwegekreuzungen mit anderen Partikeln. Durch Zugabe des Liganden ATP ändert sich die Formation der Dreiwegekreuzung von der offenen zur gestackten Variante und damit auch die Nähe der Partikel zueinander. Dieses Prinzip kann beispielsweise bei der Entwicklung von Immunassays ausgenutzt werden. © Adapted with permission from J. Am. Chem. Soc., 2011, 133 (13), pp 4706–4709. Copyright 2012 American Chemical Society.

Noch ist viel Forschung nötig, um Isabelle Seemanns Erkenntnisse praktisch voll auszuschöpfen. Sie selbst möchte DNA-Strukturen in den nächsten Jahren noch weiter auf den Grund gehen: „Generell interessiere ich mich für unkonventionelle DNA Strukturen, ihr Vorkommen und ihre Funktion in der Natur, sowie für ihren Einsatz in der Nanobiotechnologie. In diesen Bereichen gibt es sicherlich noch einiges zu erforschen“, sagt sie.

Zur Person:
Isabelle Seemann betreibt ihre Forschung zur Strukturveränderung von Dreiwegekreuzungen im Rahmen ihrer Promotion an der Universität Konstanz, nachdem sie dort zuvor ihr Studium in Life Science abgeschlossen hatte. Praktische Erfahrung sammelte sie bei der LabConsult GmbH in Freiburg im Bereich der quantitativen Proteinbestimmung in der medizinischen Diagnostik. In Konstanz schätzt sie die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Fachbereichen, die an der Campus-Universität besonders gut möglich ist.

Glossar

  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Liganden sind häufig relativ kleine Moleküle, die genau in die Bindungstasche von Rezeptoren passen. So wie nur ein ganz bestimmter Schlüssel in ein Schloss passt, können nur genau definierte Liganden mit ihren jeweiligen Rezeptoren in Wechselwirkung treten.
  • Nukleinsäure ist der Oberbegriff für DNA und/oder RNA.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Screening kommt aus dem Englischen und bedeutet Durchsiebung, Rasterung. Man versteht darunter ein systematisches Testverfahren, das eingesetzt wird, um innerhalb einer großen Anzahl von Proben oder Personen bestimmte Eigenschaften zu identifizieren. In der Molekularbiologie lässt sich so z.B. ein gewünschter Klon aus einer genomischen Bank herausfiltern.
  • Die Nanobiotechnologie ist eine Technologie, die darauf abzielt, biologische Funktionseinheiten in grundlegender Hinsicht zu verstehen sowie funktionale Bausteine im nanoskaligen Maßstab unter Einbeziehung technischer Materialien und Grenzflächen kontrolliert zu erzeugen.
  • Nanopartikel sind Teilchen von einer Größe unter 100 Nanometer.
  • Mit Nanotechnik ist Forschung und Technologieentwicklung auf der atomaren Ebene in einer Größenordnung von einem bis einhundert Nanometern gemeint. Sie hat zum Ziel, Strukturen, Geräte und Systeme zu schaffen und zu nutzen, die aufgrund ihrer geringen Größe neue Eigenschaften und Funktionen besitzen.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/isabelle-seemann-dna-als-baustoff/