Wissenschaftler entwickeln Methode zur zeitlichen Steuerung der Teilung synthetischer DNA-Tröpfchen

Viele Zellfunktionen im menschlichen Körper werden durch biologische Tröpfchen gesteuert, die als Flüssig-Flüssig-Phasentrennungströpfchen (LLPS) bezeichnet werden. Diese Tröpfchen bestehen aus weichen biologischen Materialien und befinden sich in lebenden Zellen, sind jedoch nicht wie die meisten Zellstrukturen von Membranen umschlossen.

Da sie keine Membranen haben, können sich LLPS-Tropfen schnell an die Bedürfnisse der Zelle anpassen. Sie können sich bewegen, teilen und ihre Struktur oder ihren Inhalt verändern. Diese Flexibilität ist für verschiedene Funktionen von entscheidender Bedeutung, wie etwa die Transkription ribosomaler RNA (rRNA) im Nukleolus, die Ermöglichung von Sol-Gel-Übergängen, bei denen Materialien zwischen flüssigkeits- und gelartigen Zuständen wechseln, und die Steuerung chemischer Reaktionen innerhalb der Zellen.

Inspiriert von diesen einzigartigen Eigenschaften haben Wissenschaftler synthetische LLPS-Tröpfchen entwickelt, die ihren biologischen Gegenstücken nachempfunden sind. Obwohl bei der Kontrolle der Teilung und Bewegung synthetischer Tröpfchen erhebliche Fortschritte erzielt wurden, ist die genaue Kontrolle des Zeitpunkts dieser Prozesse weiterhin eine Herausforderung.

Eine Studie veröffentlicht in der Zeitschrift Naturkommunikation am 27. August 2024, markiert einen bedeutenden Durchbruch auf diesem Gebiet. Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, entwickelten eine Methode, um den Zeitpunkt der Teilung in synthetischen DNA-Tröpfchen, die biologische LLPS-Tröpfchen nachahmen, präzise zu steuern. Dies erreichten sie durch die Entwicklung eines Zeitverzögerungsschaltkreises, bei dem die Teilung der Tröpfchen durch eine Kombination aus Inhibitor-RNAs und einem Enzym, Ribonuklease H (RNase H), reguliert wird.

Professor Masahiro Takinoue, der leitende Autor der Studie, erklärt: „Wir demonstrieren die zeitgesteuerte Teilungsdynamik künstlicher Zellen auf Basis von DNA-Tropfen, indem wir sie mit chemischen Reaktionen koppeln, die einen vorübergehenden Nichtgleichgewichts-Relaxationsprozess aufweisen, was zur Pfadkontrolle der künstlichen Zellteilung führt.“

Bei ihrem Ansatz werden die DNA-Tröpfchen durch Y-förmige DNA-Nanostrukturen zusammengehalten, die über sechs verzweigte DNA-Linker miteinander verbunden sind. Diese Linker können durch spezifische DNA-Sequenzen zu den Linkern gespalten werden, die als Teilungs-Trigger-DNAs dienen.

Zunächst sind die Teilungsauslöser an einzelsträngige RNA-Moleküle (ssRNA) gebunden, die als RNA-Inhibitoren bezeichnet werden. Durch Zugabe des Enzyms RNase H werden diese Inhibitoren abgebaut, wodurch die Teilungsauslöser freigesetzt werden, die DNA-Linker durchtrennen und die Tröpfchenteilung einleiten können.

„Diese beiden Reaktionen verursachen eine Zeitverzögerung bei der Spaltung des DNA-Linkers, was zu einer zeitlichen Kontrolle der DNA-Tröpfchenteilung führt“, erklärt Takinoue.

Den Forschern gelang eine pfadgesteuerte Teilung in einem ternär gemischten C·A·B-Tröpfchensystem, das aus drei Y-förmigen DNA-Nanostrukturen besteht, die durch zwei Linker zusammengehalten werden. Durch Hemmung und Kontrolle der Freisetzung von Teilungsauslösern etablierten sie zwei unterschiedliche Teilungspfade: Pfad 1, bei dem sich C·A·B-Tröpfchen zuerst in C-Tröpfchen und dann in A·B-Tröpfchen teilten, und Pfad 2, bei dem sich C·A·B-Tröpfchen zunächst in B-Tröpfchen und dann in C·A-Tröpfchen teilten.

Diese Pfadkontrolle wurde dann auf ein molekulares Rechenelement, einen sogenannten Komparator, angewendet, der die Konzentrationen von microRNA (miRNA) verglich, die als Inhibitor-RNAs verwendet wurden. Der Komparator verwendete Unterschiede in den RNA-Konzentrationen, um zu bestimmen, welcher Pfad verfolgt wurde, und stellte damit eine Methode zum quantitativen Vergleich von RNA-Werten bereit, die potenzielle Anwendungen in der Diagnostik hat.

Die chemischen Reaktionen der Studie waren zwar vielversprechend, aber sie waren vorübergehend und hielten keinen Nichtgleichgewichtszustand aufrecht wie zelluläre Systeme. Um stabile und nachhaltige Nichtgleichgewichtssysteme zu entwickeln, betonen die Forscher die Notwendigkeit chemischer Reaktionen, die eine kontinuierliche Energieversorgung aufrechterhalten. Trotzdem liefert die Forschung eine wertvolle Grundlage für weitere Fortschritte bei der Kontrolle der Dynamik synthetischer Tröpfchen.

„Wir glauben, dass diese Technologie eine Strategie bietet, um künstliche Zellen und molekulare Roboter mit komplexeren Funktionen wie zeitgesteuerter Selbstreplikation, Arzneimittelverabreichung und Diagnose mit höherer Genauigkeit und quantitativen Spezifikationen zu schaffen“, sagt Takinoue.