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Biophysik

DNA-Schalter im Millisekundenbereich

München, 17.05.2018

LMU-Forscher enthüllen Dynamiken eines DNA Origami Schalters im Millisekunden Bereich mittels Röntgenstrahlung.

DNA-Schalter im Millisekundenbereich (Foto: Chirstoph Hohmann (Nanosystems Initiative Munich))

Ein wesentliches Ziel der Nanotechnologie liegt in der Konstruktion künstlicher molekularer Maschinen, die durch externe Reize ganz bestimmte biologische Funktionen ausführen. Ein vielversprechender Ansatz bietet die DNA Origami Technik, bei der DNA Stränge präzise in komplexe, dreidimensionale Objekte falten und mit der mittlerweile auch dynamische DNA-Nanosysteme erzeugt werden können. Diese Strukturen können reversibel zwischen verschiedenen strukturellen Zuständen wechseln. Wie außergewöhnlich schnell ein struktureller Übergang erfolgen kann wird in einer Studie gezeigt, die aktuell im Fachmagazin Nano Letters veröffentlicht ist. Mittels zeitaufgelöster Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) konnte das Team um Professor Jan Lipfert (LMU München) und Professor Hendrik Dietz (TUM) am Beispiel eines DNA-Origami Schalters zeigen, dass dieser zwischen zwei definierten Zuständen innerhalb weniger Millisekunden wechselt.

Im Gegensatz zu bisherigen dynamischen DNA-Origami Strukturen, bei denen Konformationsänderungen überwiegend durch die Zugabe weiterer DNA Moleküle hervorgerufen wurden, basiert der hier realisierte Mechanismus auf der Stapelung von Nukleobasen an form-komplementären Oberflächen. Diese Bereiche können dann wie Legosteine ineinander „klicken“. In Abhängigkeit der Ionenstärke kann der DNA-Origami Schalter reversibel von einem X-förmigen, offenen, in einen rechteckigen, geschlossenen Zustand wechseln.

Um die Dynamiken des DNA-Origami Schalters zu charakterisieren haben die Forscher zeitaufgelöste SAXS Messungen mit hochbrillanter Synchrotronstrahlung an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble (Frankreich) durchgeführt. Mit dem verwendeten experimentellen Aufbau gelang den Forschern eine Zeitauflösung im Millisekunden-Bereich. Anhand der Streuprofile, die aus der Streuung der Röntgenstrahlung an den DNA Origami Molekülen resultieren, kann die globale Konformation des Origami Schalters analysiert werden. „Es ist sehr erstaunlich, dass der DNA Origami Schalter mit einer Masse von einigen Mega-Daltons seine Konformation so schnell ändern kann, wie eine drei Größenordnungen kleinere RNA Struktur“, erklärt Jan Lipfert.

„Unsere Arbeit zeigt das hohe Potential zeitaufgelöster SAXS Messungen um Dynamiken komplexer DNA-Origami Objekte unter verschiedenen Lösungsbedingungen zu charakterisieren, ohne dabei die Strukturen an einer Oberfläche anbinden zu müssen oder mit einem Farbstoff zu markieren.“ sagt Jan Lipfert.

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