Wissenschaftlern der Universität Stuttgart ist es gelungen, mithilfe von „DNA-Origami“ die Struktur und Funktion biologischer Membranen zu steuern. Das von ihnen entwickelte System könnte den Transport großer therapeutischer Ladungen in Zellen erleichtern. Dies eröffnet einen neuen Weg für die gezielte Verabreichung von Medikamenten und anderen therapeutischen Interventionen. Somit kann der Werkzeugkasten der synthetischen Biologie um ein sehr wertvolles Instrument erweitert werden. Prof. Laura Na Liu und ihr Team veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Naturmaterialien.
Form und Morphologie einer Zelle spielen eine Schlüsselrolle für die biologische Funktion. Dies entspricht dem in modernen Bereichen des Designs und der Architektur verbreiteten Grundsatz „Form folgt Funktion“. Die Übertragung dieses Prinzips auf künstliche Zellen ist eine Herausforderung in der synthetischen Biologie. Fortschritte in der DNA-Nanotechnologie bieten jetzt vielversprechende Lösungen. Sie ermöglichen die Schaffung neuartiger Transportkanäle, die groß genug sind, um den Durchgang therapeutischer Proteine durch Zellmembranen zu erleichtern. In diesem aufstrebenden Bereich arbeiten Wissenschaftler wie Prof. Laura Na Liu, Direktorin des 2nd Das Physikalische Institut der Universität Stuttgart und Fellow am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) haben ein innovatives Werkzeug zur Steuerung der Form und Permeabilität von Lipidmembranen in synthetischen Zellen entwickelt. Diese Membranen bestehen aus Lipiddoppelschichten, die ein wässriges Kompartiment umschließen und als vereinfachte Modelle biologischer Membranen dienen. Sie eignen sich zur Untersuchung der Membrandynamik, der Proteininteraktionen und des Lipidverhaltens.
Ein Meilenstein in der Anwendung der DNA-Nanotechnologie
Dieses neue Werkzeug könnte den Weg für die Schaffung funktioneller synthetischer Zellen ebnen. Die wissenschaftliche Arbeit von Laura Na Liu zielt darauf ab, die Forschung und Entwicklung neuer Therapien maßgeblich zu beeinflussen. Liu und ihrem Team ist es gelungen, mithilfe signalabhängiger DNA-Nanoroboter programmierbare Interaktionen mit synthetischen Zellen zu ermöglichen. „Diese Arbeit ist ein Meilenstein in der Anwendung der DNA-Nanotechnologie zur Regulierung des Zellverhaltens“, sagt Liu. Das Team arbeitet mit riesigen unilamellären Vesikeln (GUVs), bei denen es sich um einfache, zellgroße Strukturen handelt, die lebende Zellen nachahmen. Mithilfe von DNA-Nanorobotern konnten die Forscher die Form und Funktionalität dieser synthetischen Zellen beeinflussen.
Neue Transportkanäle für Proteine und Enzyme
Die DNA-Nanotechnologie ist eines der Hauptforschungsgebiete von Laura Na Liu. Sie ist Expertin für DNA-Origami-Strukturen – DNA-Stränge, die mithilfe speziell gestalteter kürzerer DNA-Sequenzen, sogenannter Klammern, gefaltet werden. Das Team um Liu nutzte DNA-Origami-Strukturen als rekonfigurierbare Nanoroboter, die ihre Form reversibel ändern und dadurch ihre unmittelbare Umgebung im Mikrometerbereich beeinflussen können. Die Forscher fanden heraus, dass die Transformation dieser DNA-Nanoroboter mit der Verformung der GUVs und der Bildung synthetischer Kanäle in den Modell-GUV-Membranen gekoppelt sein kann. Diese Kanäle ermöglichten den Durchgang großer Moleküle durch die Membran und können bei Bedarf wieder verschlossen werden.
Vollständig künstliche DNA-Strukturen für biologische Umgebungen
„Das bedeutet, dass wir mithilfe von DNA-Nanorobotern die Form und Konfiguration von GUVs entwerfen können, um die Bildung von Transportkanälen in der Membran zu ermöglichen“, sagt Prof. Stephan Nussberger, der Mitautor dieser Arbeit ist. „Es ist äußerst spannend, dass der Funktionsmechanismus der DNA-Nanoroboter auf GUVs kein direktes biologisches Äquivalent in lebenden Zellen hat“, fügt Nussberger hinzu.
Die neue Arbeit wirft neue Fragen auf: Könnten synthetische Plattformen – wie DNA-Nanoroboter – mit weniger Komplexität als ihre biologischen Gegenstücke entworfen werden, die dennoch in einer biologischen Umgebung funktionieren würden?
Krankheitsmechanismen verstehen und Therapien verbessern
Die neue Studie ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung. Das von DNA-Nanorobotern geschaffene System membranübergreifender Kanäle ermöglicht eine effiziente Passage bestimmter Moleküle und Substanzen in die Zellen. Am wichtigsten ist, dass diese Kanäle groß sind und so programmiert werden können, dass sie bei Bedarf geschlossen werden. Bei der Anwendung auf lebende Zellen kann dieses System den Transport therapeutischer Proteine oder Enzyme zu ihren Zielen in der Zelle erleichtern. Es bietet damit neue Möglichkeiten für die Verabreichung von Medikamenten und andere therapeutische Interventionen. „Unser Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten, das Verhalten lebender Zellen nachzuahmen. Dieser Fortschritt könnte für zukünftige Therapiestrategien von entscheidender Bedeutung sein“, sagt Prof. Hao Yan, einer der Co-Autoren dieser Arbeit.
