Computer modelliert die komplexesten 3D-DNA-Formen

Ein neues Computermodell, das es Biologieingenieuren ermöglicht, die komplexesten 3D-DNA-Strukturen zu entwerfen, die jemals hergestellt wurden, bringt 3D-DNA-Origami auf ein neues Niveau. Der Fortschritt könnte Wissenschaftlern dabei helfen, einige der kleinsten biologischen Prozesse - wie die Photosynthese - zu untersuchen. Es könnte auch dazu beitragen, neue Arten von Medikamenten oder RNA-Therapien zu entwickeln - eine aufstrebende Grenze der personalisierten Behandlung von Krankheiten wie Krebs.
Das Computermodell ermöglicht biologischen Ingenieuren, eine Kontrolle im Nanometerbereich durchzuführen, um komplexe 3D-DNA-Formen zu erstellen.
Bildnachweis: Oberste Reihe - Stavros Gaitanaros (MIT) und Fei Zhang (Arizona State University); Untere Reihe - Keyao Pan (MIT) & Nature Communications

In der Zeitschrift NaturkommunikationenEin Team von Forschern, darunter Mitglieder des Massachusetts Institute of Technology (MIT), beschreiben, wie sie das Computermodell entworfen und daraus komplexe 3D-DNA-Formen erstellt haben, darunter Ringe, Schalen und Ikosaeder, deren Strukturen Viren ähneln.

Da Wissenschaftler immer besser in der Lage sind, Materie auf der Ebene einzelner Atome und innerhalb von Molekülen - dem Bereich der Nanotechnologie - zu untersuchen und zu manipulieren, wachsen die Möglichkeiten für Bioingenieure, DNA als nanoskaligen Baustoff zu nutzen.

Die DNA ist stabil, und Wissenschaftler können sie leicht programmieren, indem sie die Reihenfolge ihrer Bausteine ??ändern. Aber die Funktion der DNA beruht nicht nur auf den Sequenzen ihrer chemischen Untereinheiten, sondern auch auf ihrer Form. Vor etwa 10 Jahren begannen Wissenschaftler, DNA in zwei Dimensionen zu manipulieren - und führten zu dem Begriff "DNA-Origami".

Die 2D-DNA-Formen wurden hergestellt, indem "Stapelstränge" an "DNA-Gerüste" gebunden wurden. Später kombinierten Wissenschaftler diese Methode mit Nanotechnologie und begannen mit 3D-DNA-Origami zu arbeiten. Dies führte zu Vorschlägen, dass 3D-DNA-Nanostrukturen eines Tages für die Abgabe von Medikamenten, als Biosensoren, für die künstliche Photosynthese und mehr verwendet werden könnten.

Je komplexer die Struktur, die entworfen werden kann, desto vielversprechender ist die Bandbreite der Anwendungen, die die Technologie bietet. Mit diesem neuesten Modell zum Beispiel glaubt das MIT-geführte Team, dass Forscher in der Lage sein werden, DNA-Gerüste zu bauen, die Arrays von Proteinen verankern, um neue Vehikel für RNA-Therapien und Chromophore oder lichtempfindliche Moleküle zu bilden, um die Photosynthese von Pflanzen nachzuahmen.

Das neue Modell verwendet eine "präzise Nanometerskala-Kontrolle", um 3D-DNA-Formen zu erzeugen

Senior Autor Mark Bathe, Associate Professor für Biotechnik am MIT, erklärt den Fortschritt, den ihre Studie auf dem Gebiet der 3D-DNA-Origami darstellt:

"Die allgemeine Idee ist, Proteine, Chromophore, RNAs und Nanopartikel mit DNA im Nanometermaßstab räumlich zu organisieren. Die präzise Steuerung im Nanometermaßstab, die wir über die 3D-Architektur haben, ist in diesem Ansatz zentral einzigartig."

Der Fortschritt in Richtung des neuen Modells war langsam und mühsam. Im Jahr 2011 entwickelte das Team ein Modell mit dem Namen CanDo, um 3D-DNA-Formen zu erzeugen - aber es konnte nur eine begrenzte Reichweite basierend auf rechteckigen oder hexagonal dicht gepackten Gittern von DNA-Bündeln erreichen.

Diese neueste Version verwendet einen neuen Algorithmus, mit dem das Team viel komplexere Strukturen erstellen kann, als dies bisher möglich war. Es kann Sequenzen von DNA-Gerüst und Stapelsträngen aufnehmen und die 3D-Struktur von praktisch jeder programmierten DNA-Sequenz vorhersagen.

Prof. Bathe sagt, dass die Vorhersage der 3D-Struktur im Modell "für verschiedene funktionelle Anwendungen, die wir verfolgen, von zentraler Bedeutung ist, da letztendlich die 3D-Struktur die Funktion und nicht die DNA-Sequenz allein hervorbringt".

Modell schneidet DNA-Sequenzen in "Multiway Junctions"

Das neue Modell arbeitet mit dem Schneiden von DNA-Sequenzen in Untereinheiten, die als "Multiway Junctions" bezeichnet werden - essentielle Bausteine ??von programmierten DNA-Nanostrukturen, ähnlich denen, die sich bei der DNA-Replikation natürlich bilden. Multiway Junctions ermöglichen es DNA-Strängen, sich zu überkreuzen und an den Strang einer benachbarten DNA-Helix zu binden, wenn sie sich während der Replikation abwickeln und neue Paare bilden.

Das Computermodell baut dann die geschnittene DNA zu größeren programmierten, nanoskaligen Formen wie Ringen, Scheiben und kugelförmigen Behältern zusammen. Durch die Neuprogrammierung der Sequenzen dieser Komponenten können DNA-Origami-Konstrukteure komplexe Architekturen erstellen, einschließlich symmetrischer Käfige in Form von Tetraedern, Oktaedern und Dodekaedern.

Prof. Bathe erklärt, dass die 3D-DNA-Formen nur "passive Gerüste" sind. Ihre Funktion kommt von den anderen Molekülen, die an ihnen befestigt werden können und bieten eine Reihe von Anwendungen.

Ein Beispiel, an dem das Team arbeitet, ist die Proteingerüststruktur nachzuahmen, die es lebenden Pflanzenzellen ermöglicht, Photosynthese durchzuführen. Proteingerüste sind schwieriger in nanoskalige Assemblies zu überführen - daher bietet die 3D-DNA-Origami-Methode eine nützliche Alternative. Die Wissenschaftler können stattdessen Chromophore an das DNA-Gerüst anheften, um die Schlüsselstrukturen für die Photosynthese zu schaffen.

Das Video von MIT unten erklärt weiter, wie das neue Modell funktioniert:

DNA-Gerüste können Medikamente in Zellen tragen, ohne Alarm auszulösen

Andere Anwendungen sind ebenfalls möglich - beispielsweise Gerüste, die es Wissenschaftlern ermöglichen, bakterielle Toxine nachzuahmen, so dass sie Versionen herstellen können, die nicht toxisch sind, um RNA-Therapien direkt in Zellen zu liefern.

Mit Hilfe von DNA-Scaffolds, die Therapeutika wie MikroRNAs, mRNAs und Krebsmedikamente tragen, ist es möglich, in Zellen einzudringen, ohne viele Alarme auszulösen oder die Zellmaschinerie zu zerstören, erklärt Prof. Bathe.

Das Team plant, den Algorithmus öffentlich verfügbar zu machen, damit andere DNA-Entwickler ihn verwenden können. Sie wollen zuerst das Modell verbessern, so dass Designer es einfach einer bestimmten Form geben und die Sequenz erhalten können, die diese Form erzeugt.

Eine solche Verbesserung würde einen echten 3D-Druck im Nanometerbereich ermöglichen, bei dem die "Tinte" synthetische DNA ist, sagt das Team.

Die Mittel für die Studie kamen vom Office of Naval Research und der National Science Foundation.

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