Künstliche Zellmembrankanäle aus DNA lassen sich mit einem Schlüssel öffnen und verschließen

So wie Länder eine Vielzahl von Konsumgütern über nationale Grenzen hinweg importieren, betreiben lebende Zellen ein reges Import-Export-Geschäft. Ihre Eintrittspforten sind ausgeklügelte Transportkanäle, die in die Schutzmembran einer Zelle eingebettet sind. Zu regulieren, welche Arten von Fracht die Grenzgebiete passieren können, die von der zweischichtigen Membran der Zelle gebildet werden, ist für das ordnungsgemäße Funktionieren und Überleben von entscheidender Bedeutung.

In einer neuen Forschungsarbeit beschreiben Hao Yan, Professor an der Arizona State University, zusammen mit ASU-Kollegen und internationalen Mitarbeitern des University College London das Design und die Konstruktion künstlicher Membrankanäle, die unter Verwendung kurzer DNA-Segmente konstruiert wurden. Die DNA-Konstruktionen verhalten sich ähnlich wie natürliche Zellkanäle oder Poren und bieten einen selektiven Transport von Ionen, Proteinen und anderer Fracht, mit verbesserten Eigenschaften, die in ihren natürlich vorkommenden Gegenstücken nicht verfügbar sind.

Diese innovativen DNA-Nanokanäle könnten eines Tages in verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt werden, von der Biosensorik und Anwendungen zur Arzneimittelabgabe bis hin zur Schaffung künstlicher Zellnetzwerke, die in der Lage sind, mikroskopisch kleine Fracht autonom zu erfassen, zu konzentrieren, zu speichern und zu transportieren.

„Viele biologische Poren und Kanäle sind reversibel, damit Ionen oder Moleküle passieren können“, sagt Yan. Hier ahmen wir diese Naturprozesse nach, um DNA-Nanoporen zu konstruieren, die als Reaktion auf externe „Schlüssel“- oder „Schloss“-Moleküle verschlossen und geöffnet werden können.“

Professor Yan ist Milton D. Glick Distinguished Professor für Chemie und Biochemie an der ASU und leitet das Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics. Er ist außerdem Professor an der School of Molecular Sciences der ASU.

Die Forschungsergebnisse erscheinen in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Naturkommunikation.

Alle lebenden Zellen sind von einer einzigartigen biologischen Struktur, der Zellmembran, umgeben. Der wissenschaftliche Begriff für solche Membranen ist Phospholipid-Doppelschicht, was bedeutet, dass die Membran aus Phosphatmolekülen gebildet wird, die an eine Fett- oder Lipidkomponente gebunden sind, um eine äußere und eine innere Membranschicht zu bilden.

Diese inneren und äußeren Membranschichten sind ein bisschen wie die Innen- und Außenwände eines Raums. Aber im Gegensatz zu normalen Wänden ist der Raum zwischen Innen- und Außenflächen fließend und ähnelt einem Meer. Ferner sollen Zellmembranen semipermeabel sein, was einen bestimmten Frachteintritt oder -austritt aus der Zelle ermöglicht. Ein solcher Transport findet typischerweise statt, wenn sich die Transitfracht an ein anderes Molekül bindet, wodurch die Dynamik der Kanalstruktur verändert wird, um den Eintritt in die Zelle zu ermöglichen, ähnlich wie bei der Öffnung des Panamakanals.

Semipermeable Zellmembranen sind notwendig, um empfindliche Inhaltsstoffe innerhalb der Zelle vor einer feindlichen Umgebung außerhalb zu schützen und gleichzeitig den Durchgang von Ionen, Nährstoffen, Proteinen und anderen lebenswichtigen Biomolekülen zu ermöglichen.

Forscher, einschließlich Yan, haben die Möglichkeit untersucht, selektive Membrankanäle synthetisch zu erzeugen, indem sie eine Technik verwenden, die als DNA-Nanotechnologie bekannt ist. Die Grundidee ist einfach. Die Doppelstränge der DNA, die den genetischen Bauplan für alle lebenden Organismen bilden, werden durch die Basenpaarung der 4 Nukleotide des Moleküls zusammengehalten, die mit A, T, C und G bezeichnet werden. Es gilt eine einfache Regel, nämlich dass sich A-Nukleotide immer mit T und paaren C mit G. Somit würde ein DNA-Segment ATTCTCG mit CAAGAGC einen komplementären Strang bilden.

Die Basenpaarung von DNA ermöglicht den synthetischen Aufbau einer praktisch unbegrenzten Anordnung von 2- und 3D-Nanostrukturen. Sobald eine Struktur sorgfältig entworfen wurde, normalerweise mit Hilfe eines Computers, können die DNA-Segmente zusammengemischt werden und werden sich in Lösung in der gewünschten Form selbst zusammensetzen.

Die Schaffung eines halbdurchlässigen Kanals mithilfe der DNA-Nanotechnologie hat sich jedoch als ärgerliche Herausforderung erwiesen. Herkömmliche Techniken sind nicht in der Lage, die Struktur und die Kapazitäten natürlicher Membrankanäle zu replizieren, und synthetische DNA-Nanoporen erlauben im Allgemeinen nur einen Transport von Fracht in eine Richtung.

Die neue Studie beschreibt eine innovative Methode, die es Forschern ermöglicht, einen synthetischen Membrankanal zu entwerfen und zu konstruieren, dessen Porengröße den Transport größerer Fracht ermöglicht als natürliche Zellkanäle. Im Gegensatz zu früheren Bemühungen, DNA-Nanoporen zu erzeugen, die an Membranen befestigt sind, baut die neue Technik die Kanalstruktur Schritt für Schritt auf, indem die DNA-Komponentensegmente horizontal und nicht vertikal in Bezug auf die Membran zusammengesetzt werden. Das Verfahren ermöglicht die Konstruktion von Nanoporen mit breiteren Öffnungen, was den Transport einer größeren Bandbreite von Biomolekülen ermöglicht.

Darüber hinaus ermöglicht das DNA-Design das selektive Öffnen und Schließen des Kanals mittels eines Klappdeckels, der mit einem Schloss- und Schlüsselmechanismus ausgestattet ist. Die „Schlüssel“ bestehen aus sequenzspezifischen DNA-Strängen, die an den Deckel des Kanals binden und dessen Öffnung oder Schließung auslösen.

In einer Reihe von Experimenten demonstrieren die Forscher die Fähigkeit des DNA-Kanals, Fracht unterschiedlicher Größe erfolgreich zu transportieren, von winzigen Farbstoffmolekülen bis hin zu gefalteten Proteinstrukturen, von denen einige größer sind als die Porenabmessungen natürlicher Membrankanäle.

Die Forscher verwendeten Rasterkraftmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie, um die resultierenden Strukturen sichtbar zu machen, und bestätigten, dass sie den ursprünglichen Designspezifikationen der Nanostrukturen entsprachen.

Fluoreszierende Farbstoffmoleküle wurden verwendet, um zu verifizieren, dass die DNA-Kanäle die Lipiddoppelschicht der Zelle erfolgreich durchdrangen und sich selbst durch diese einfügten, wodurch erfolgreich ein selektiver Eintritt von Transportmolekülen ermöglicht wurde. Der Transportvorgang wurde innerhalb von 1 Stunde nach der Kanalbildung durchgeführt, eine signifikante Verbesserung gegenüber früheren DNA-Nanoporen, die typischerweise 5–8 Stunden für den vollständigen Durchgang des Biomoleküls benötigen.

Die DNA-Nanokanäle können verwendet werden, um Proteine ​​einzufangen und zu untersuchen und ihre Wechselwirkungen mit den Biomolekülen, an die sie binden, genau zu untersuchen oder die schnelle und komplexe Faltung und Entfaltung von Proteinen zu untersuchen. Solche Kanäle könnten auch verwendet werden, um eine feinkörnige Kontrolle über das Eindringen von Biomolekülen in Zellen auszuüben, was ein neues Fenster für die gezielte Arzneimittelabgabe bietet. Viele andere mögliche Anwendungen werden sich wahrscheinlich aus der neu entdeckten Fähigkeit ergeben, künstliche, selbstorganisierende Transportkanäle kundenspezifisch zu entwerfen.