DNA-Ringe als Nanobausteine

Winzige, starre DNA-Ringe mit einer Lücke eignen sich für den Einbau funktioneller Molekülteile.

Was unter dem Rasterkraftmikroskop wie winzige, ganz leicht angebissene Zuckerkringel aussieht, sind nanoskopische Ringe aus doppelsträngiger DNA mit einer kleinen Lücke in Form eines kurzen einzelsträngigen Abschnitts. Wie Michael Famulok und sein Team von der Universität Bonn in der Zeitschrift Angewandte Chemie erklären, dient diese Lücke als Anknüpfungspunkt für andere Moleküle, die aus den Kringeln vielseitige, je nach Anwendungen maßgeschneiderte Nanobausteine machen sollen.

Die programmierbare Zusammenlagerung molekularer Bausteine zu Strukturen mit höherer Ordnung spielt eine Schlüsselrolle beim Aufbau von Nanomaterialien. Nucleinsäuren sind interessante Kandidaten als Nanobausteine: Sie lassen sich einfach synthetisieren und haben einzigartige Charakteristika der molekularen Erkennung vorzuweisen. Die Schwierigkeit: Um definierte zwei- oder dreidimensionale Geometrien aufzubauen, braucht man starre Bausteine. DNA-Moleküle sind normalerweise jedoch flexible Gebilde.

„Aus struktureller Sicht stellen Miniringe wohl die einfachste Form für ein starres Objekt aus DNA dar“, sagt Famulok. Und so stellten er und sein Team sich der Herausforderung, DNA-Moleküle mit glatter zirkularer Struktur, frei von Ringdeformationen, Verdrillungen oder Verknäulungen. Ein nicht ganz einfaches Unterfangen. DNA liegt üblicherweise als helikal gewundener Doppelstrang vor und lässt sich, wenn er zu kurz ist, nicht zum Ring schließen. Wenn, umgekehrt, der Ring zu groß wird, ist er nicht mehr starr. Famulok und seinem Team ist es nun gelungen, durch eine ausgeklügelte Wahl der Sequenz und Anzahl der Nucleotide sowie eine geschickte Syntheseroute die gewünschten starren „Kringel“ herzustellen.

Der besondere Clou: Es gelang den Forschern sogar, eine „Lücke“ in die Kringel einzubauen, eine kurze Sequenz, die nicht in der normalen Basenpaarung vorliegt, sondern als einzelsträngiges Stück. Sie soll dazu dienen, die Kringel mit einer für eine spezielle Anwendung maßgeschneiderten Funktionalität auszustatten. Man muss nur einen zu diesem einzelsträngigen Part komplementären kurzen DNA-Einzelstrang herstellen und Moleküle mit den gewünschten Eigenschaften anknüpfen. Dieser Einzelstrang lässt sich dann passgenau in die Lücke einfügen. So kann der Kringel fast beliebig bestückt werden, ganz nach den jeweiligen Erfordernissen, beispielsweise mit „Ankern“, die die Kringel spezifisch an andere Bausteine anknüpfen.

„Unsere neue, unkomplizierte Methode zur Herstellung starrer DNA-Nanoringe mit variablen, maßgeschneiderten Funktionalitäten eröffnet neue Wege, um höher geordnete DNA-Objekte aufzubauen“, ist Famulok überzeugt.

Quelle: Angewandte Chemie

Weitere Infos_

• Originalveröffentlichung:
  Goran Rasched, Damian Ackermann, Thorsten L. Schmidt, Peter Broekmann, Alexander Heckel, Michael Famulok, DNA-Ringe mit Einzelstrangdomänen zur vielseitigen Funktionalisierung, Angewandte Chemie (Online: 3. Dez. 2007).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200704004
• Arbeitsgruppe von Michael Famulok (Biologische Chemie, Uni Bonn):
  http://www.chembiol.uni-bonn.de