Synthetische Membrankanäle aus DNA

In dieser Nanotechnologie werden DNA-Moleküle als programmierbare Baustoffe für maßgeschneiderte, sich selbst anordnende Strukturen im Nanometer-Bereich eingesetzt. Die Ergebnisse der Forscher legen nahe, dass sich ihre von der Natur inspirierten Nanostrukturen ähnlich wie biologische Ionenkanäle verhalten könnten. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt für die Entwicklung weiterer Anwendungen im Bereich künstlicher Membrankanäle dar, wie etwa molekulare Sensoren, antibakterielle Substanzen oder auch Antriebsmotoren für neuartige Nanobauteile.

In den letzten drei Jahrzehnten entwickelte sich die DNA-Nanotechnologie von einer theoretischen Idee zu einer angewandten Wissenschaft, die mit einem großen Methodenschatz und einem Portfolio unterschiedlicher Objekte im Nanometer-Bereich ihr Potenzial unter Beweis stellt. Das Neue an dieser Arbeit hier ist, dass DNA-Technologie eingesetzt wurde, um mit Nanoporen einen der in der Natur am weitesten verbreiteten Regulationsmechanismen nachzubauen.

Um das Zellinnere von der äußeren Umgebung abzuschotten, verwenden alle Lebewesen dieselbe Barriere: eine undurchlässige Membran aus zwei Schichten von Lipiden. Diese Doppelmembran findet man auch im Zellinneren, etwa als Hülle des Zellkerns. Auch viele Viren sind von solch einer Doppelmembran umgeben. Zum Austausch zwischen den unterschiedlichen Milieus auf beiden Seiten dieser Barriere wird in der Natur ein weit verbreiteter Durchlassmechanismus eingesetzt: Membrankanäle sind röhrenförmige Strukturen aus Eiweißbausteinen (Proteinen), die durch die Lipidschichten hindurchragen und den Austausch von Substanzen und Informationen in beide Richtungen regulieren. Forschern ist es nun erstmals gelungen, einen solchen Membrankanal aus DNA-Strukturelementen zu konstruieren, der vielfältig eingesetzt werden könnte: „Wenn Sie eine Substanz in eine Zelle injizieren wollen, müssen Sie irgendwie ein Loch in die Zellmembran stanzen. Mit diesen kanülenartigen Strukturen schaffen wir das, zumindest in Modellzellmembranen“, erläutert Professor Hendrik Dietz.

In ihrer von natürlichen Protein-Membrankanälen inspirierten Struktur erinnern die DNA-basierten Membrankanäle an eine Art röhrenförmigen Stiel, der mit einer Länge von 42 Nanometern die Membran durchspannt, wobei der Innen-Durchmesser nur zwei Nanometer beträgt. Eine fassförmige Hülle am oberen Ende des Stiels mit einem Ring aus Cholesterinbausteinen verankert das Konstrukt in der Lipidmembran, während der Stiel durch die Membran hindurchragt und damit einen funktionsfähigen Kanal bildet. Prof. Friedrich Simmel von der TU München, der auch Ko-Koordinator der Excellence Cluster Nanosystems Initiative München ist, erläutert: „Wir haben diese Membrankanäle bisher noch nicht an lebenden Zellen getestet. In unseren Experimenten mit Lipidvesikeln konnten wir zeigen, dass unsere synthetischen DNA-Membrankanäle in der korrekten Orientierung an Lipid-Doppelmembranen binden, sodass der Stiel die Membran durchdringt und in der Membran verankert bleibt, und damit eine Nanopore bildet."

COMPAMED.de; Source: Technische Universität München