23.10.2018

Nanokäfig mit Zweigen

DNA-basiertes Dendrimer eignet sich als Träger für Nanoteilchen.

Nanokäfige sind hoch­interessante molekulare Strukturen, sowohl aus der Sicht der Grund­lagen­forschung als auch in Hinblick auf mögliche Anwendungen. Die Hohl­räume dieser nano­meter­großen Objekte können als Träger kleinerer Moleküle genutzt werden, was in der Medizin für den Medikamenten- oder Gen­transport in lebenden Organismen entscheidend ist. Diese Idee brachte Forscher aus verschiedenen inter­disziplinären Bereichen zusammen, die Dendrime – besondere chemische Verbindungen – als viel­versprechende Kandidaten für die Herstellung solcher Nano­teilchen-Träger untersuchen. Die bau­martige Architektur der Dendrimere und ihr schritt­weises Wachstum mit sich wieder­holenden, selbst­ähnlichen Einheiten erlauben die Aus­formung von Hohl­räumen mit kontrollier­barem Design.

Abb.: DNA-basiertes Dendrimer der fünften Generation. Regel­mäßige Hohl­räume im Inneren dieses neu­artigen Makro­moleküls lassen sich als Nano­teilchen-Träger einsetzen. (Bild: N. Adi)

Jahrzehntelange Forschungen haben jedoch gezeigt, dass eine Vielzahl von verschiedenen Dendrimer-Arten mit zunehmenden Dendrimer­generationen eine Rück­faltung der äußeren Äste erfahren, was zu einer höheren Dichte der Bestand­teile im Inneren des Moleküls führt. Die Wirkung des Rück­faltens wird durch Zugabe von Salz in die Lösung verstärkt, wodurch flexible Dendrimere stark schrumpfen und zu kompakten Objekten ohne Hohl­räume in deren Innerem werden.

Das Team um Nataša Adi und Christos Likos von der Universität Wien, Clemens Jochum und Gerhard Kahl (TU Wien), Emmanuel Stiakakis (FZ Jülich, Deutschland) und Thomas Derrien und Dan Luo (Cornell University, USA) fand einen Weg, Dendrimere zu erzeugen, die so starr sind, dass eine Rück­faltung der äußeren Arme auch bei hohen Verzweigungs­generationen verhindert wird. Somit bleiben regel­mäßige Hohl­räume in ihrem Inneren erhalten. Darüber hinaus zeichnen sich die neuartigen Makro­moleküle durch eine bemerkens­werte Resistenz gegen Salz­zusatz aus: Die Wissenschafter zeigten, dass die Morphologie und Konformations­eigenschaften dieser Systeme auch bei Zugabe von Salz selbst in hoher Konzentration unbeeinflusst bleiben.

Die Nanokäfige, die sie im Labor und am Computer erzeugten, sind Dendrimer-ähnliche DNAs (DL-DNA). Der Baustein, aus dem sie bestehen, ist eine Y-förmige doppel­strängige DNA-Einheit, eine drei­armige Struktur aus doppel­strängiger DNA (ds-DNA). Diese wird durch Hybridisierung von drei einzel­strängigen DNA-Ketten (ss-DNA), die jeweils teil­weise komplementäre Sequenzen zu den beiden anderen aufweisen, gebildet. Jeder Arm besteht aus 13 Basen­paaren und einem einzel­strängigen Klebe­ende mit vier Nuklein­basen, welches als Kleb­stoff fungiert. Während eine einzelne Y-DNA der ersten Dendrimer-Generation entspricht, ergibt das Anhängen weiterer Y-DNA-Elemente DL-DNA höherer Generationen. Das resultierende Dendrimer ist eine geladene makro­molekulare Anordnung mit Hohl­räumen und baum­artiger Architektur. Aufgrund der Steifig­keit der dsDNA sind die Zweige der DL-DNA ziemlich starr, so dass das gesamte Molekül starr ist. Da DNA geladen ist, erhöht die elektro­statische Abstoßung zusätzlich die Steifig­keit des Moleküls.

DL-DNA-Moleküle wurden im Labor von den Partnern in Jülich und Cornell mit bemerkens­werter Kontrolle und Sub-Nanometer-Präzision durch programmier­bare Klebe­ende-Kohäsionen zusammen­gesetzt. Ihr schritt­weises Wachstum ist in hohem Maß kontrollier­bar, unidirektional und nicht umkehr­bar. Diese Eigen­schaft ist von großer Bedeutung, da gezeigt werden konnte, dass DNA-basierte Dendrimere eine viel­versprechende Rolle bei der Entwicklung von nano­großen Barcodes, DNA-basierten Impfstoff­technologien sowie von strukturellen Proben mit multi­plexierten molekularen Sensor­prozessen spielen sollen.

Größen, Formen sowie weitere für die Experimental­physikern unsichtbare konformative Details wie die Größe der Hohl­räume und der Grad der Rück­faltung der Äste wurden in Wien durch Computer­simulationen analysiert. Um die komplexe Struktur von DNA-Einheiten zu beschreiben, verwendete die Gruppe ein Monomer-aufgelöstes Modell mit sorgfältig ausgewählten Wechsel­wirkungen, um die Gleich­gewichts­eigenschaften der DNA in physiologischer Lösung nach­zuahmen. Die ausgezeichnete Über­einstimmung zwischen Experimenten und Simulationen für die Dendrimer-Eigenschaften bestätigt die verwendeten theoretischen Modelle und ebnet den Weg für die weitere Unter­suchung der Eigen­schaften von Nano­käfigen und ihrer Anwendungen als Nano­teilchen-Träger und als Bau­steine für die Entwicklung bio­kompatibler künstlicher Materialien.

U. Wien / DE

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