DNA-Origami mit Designer-Proteinen

Desoxyribonukleinsäure ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Hendrik Dietz und Florian Praetorius vom Lehrstuhl für Experimentelle Biophysik ist sie aber auch ein exzellentes Baumaterial für Nanostrukturen. Schon länger etabliert ist in diesem Zusammenhang das „DNA-Origami”, bei dem DNA gefaltet wird, um damit drei­dimensionale Formen zu erzeugen.

Doch bei dieser Methode gebe es Einschränkungen, erklärt Dietz. Denn die „Bauarbeiten“ finden immer außerhalb des biologischen Systems statt und Teile der Komponenten müssen chemisch synthetisiert werden. „Es ist ziemlich schwierig, benutzer­definierte Strukturen in der Größen­skala von zehn bis 100 Nanometern innerhalb einer Zelle zu schaffen.“ Mit der neu entwickelten Technik ist es den Forschern nun möglich, doppel­strängige DNA mithilfe von Proteinen in gewünschte drei­dimensionale Formen zu falten, wobei sowohl die DNA als auch die dafür nötigen Proteine genetisch codiert und in Zellen produziert werden können.

Der Schlüssel für die Methode sind speziell entworfene „Klammer-Proteine“, die auf den sogenannten TAL-Effektoren basieren. TAL-Effektoren werden in der Natur von bestimmten Bakterien produziert, die Pflanzen infizieren, und haben die Fähigkeit, sich an spezifische Sequenzen in der Pflanzen-DNA zu heften und damit unter anderem Abwehr­mechanismen der Pflanzen lahmzulegen. „Wir haben Varianten der TAL-Proteine konstruiert, die zwei getrennte durch den Designer definierte Ziel-Sequenzen auf der DNA erkennen und quasi zusammentackern können“, sagt Dietz. „Das war genau die Eigenschaft, die wir für unsere Klammer-Proteine gebraucht haben.“

Die zweite Komponente des Systems ist ein DNA-Doppelstrang, der mehrere Binde­sequenzen enthält, die von einem Satz verschiedener Klammer-Proteine erkannt und verknüpft werden können. „Im einfachsten Fall kann man eine Schleife erzeugen, indem man zwei Punkte miteinander verbindet“, erklärt Praetorius. „Wenn mehrere dieser Verknüpfungs­punkte in der DNA vorhanden sind, ist es möglich, auch komplexere Formen zu bauen.“ Ein wesentlicher Teil der Arbeit der Forscher lag daher darin, ein Regelwerk zu bestimmen, wie die Klammer­proteine selbst sowie die Verteilung der Binde­sequenzen auf dem DNA Doppelstrang gestaltet sein müssen, um die gewünschten Formen zu erzeugen.

Die Klammer-Proteine dienen darüber hinaus auch als Ankerpunkte für weitere Proteine: Durch eine Methode namens genetische Fusion lassen sich beliebige funktionelle Protein­domänen anheften. Die Hybridstrukturen aus DNA und Proteinen dienen damit als dreidimensionales Gerüst, mit denen man die anderen Protein­domänen in eine bestimmte räumliche Position bringen kann. Alle Bausteine für die DNA-Protein-Hybrid­strukturen können von der Zelle selbst hergestellt werden und setzen sich dann eigenständig zusammen. Die Forscher konnten die Hybride in zellähnlicher Umgebung ausgehend von genetischer Information herstellen. „Die Wahrscheinlichkeit ist recht hoch, dass das auch in Zellen funktioniert“, sagt Dietz.

Die neue Methode eröffnet einen Weg, die räumliche Anordnung von Molekülen im lebenden System zu kontrollieren. Damit lassen sich grundlegende biologische Prozesse untersuchen. Zum Beispiel wird vermutet, dass die räumliche Anordnung des Genoms einen Einfluss darauf hat, welche Gene abgelesen werden können und mit welcher Effizienz dies geschieht. Die gezielte Erzeugung von Schlaufen über TAL-DNA-Hybrid­strukturen in genomischer DNA stellt ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem sich solche Prozesse untersuchen lassen. Auch ließe sich eine Reihe von Proteinen innerhalb und außerhalb der Zelle in gewünschter Weise geometrisch positionieren, um den Einfluss der räumlichen Nähe etwa auf die Informations­verarbeitung in der Zelle zu untersuchen. Die räumliche Nähe bestimmter Enzyme könnte auch Prozesse in der Bio­technologie effizienter machen. Schließlich wäre es auch denkbar, Protein-DNA-Hybridstrukturen heranzuziehen, um zum Beispiel die Immun­antwort von Zellen besser zu stimulieren, die von geometrischen Anordnungen von Antigenen abhängen kann.

TUM / DE