DNA kann sich in komplexe Formen falten, um neue Funktionen auszuführen

Laut einer Studie von Forschern von Weill Cornell Medicine und dem National Heart, Lung, and Blood Institute, einem Teil der National Institutes of Health, kann DNA Proteinfunktionen nachahmen, indem sie sich in ausgefeilte, dreidimensionale Strukturen faltet.

In der Studie, veröffentlicht am 21. Juni in Naturverwendeten die Forscher hochauflösende Bildgebungstechniken, um die neuartige und komplexe Struktur eines von ihnen geschaffenen DNA-Moleküls aufzudecken, das die Aktivität eines Proteins namens grün fluoreszierendes Protein (GFP) nachahmt. GFP, das aus Quallen gewonnen wurde, ist zu einem wichtigen Laborinstrument geworden und fungiert als fluoreszierender Marker oder Leuchtfeuer in Zellen.

Die Ergebnisse treiben die Wissenschaft voran, wie DNA dazu gebracht werden kann, sich in komplexe Formen zu falten, und werden Forschern dabei helfen, solche DNA-Moleküle für eine Vielzahl von Labor- und klinischen Anwendungen zu bauen. Ein vollständig aus DNA bestehender Fluoreszenzmarker, der beispielsweise GFP nachahmt, wäre oft ideal für die Markierung gezielter DNA-Stücke in biologischen Studien und in diagnostischen Testkits und wäre relativ kostengünstig herzustellen.

„Diese Erkenntnisse verändern unser Verständnis darüber, was wir mit DNA machen können, wirklich“, sagte Studienmitautorin Dr. Samie Jaffrey, Greenberg-Starr-Professorin für Pharmakologie und Mitglied des Sandra and Edward Meyer Cancer Center bei Weill Cornell Medicine.

DNA liegt in der Natur meist in einer doppelsträngigen, „verdrehten Leiter“- oder „helikalen“ Form vor und dient als relativ stabiler Speicher für genetische Informationen. Alle anderen komplexen biologischen Prozesse in Zellen werden von anderen Arten von Molekülen, insbesondere Proteinen, ausgeführt.

Letztes Jahr haben Dr. Jaffrey und Kollegen berichtet in ACS Chemische Biologie über die Entdeckung eines solchen Moleküls: einer einzelsträngigen DNA, die sich so faltet, dass sie die Aktivität von GFP nachahmen kann. Das DNA-Molekül, das Dr Dadurch wird die Fähigkeit zur Fluoreszenz aktiviert. Die Forscher demonstrierten die Salat-Fluorophor-Kombination als Fluoreszenzmarker für den schnellen Nachweis von SARS-CoV-2, dem Erreger von COVID-19.

Dr. Jaffrey und sein Team entdeckten Salat, indem sie viele einzelsträngige DNAs herstellten und nach solchen suchten, die über die gewünschte Fluorophor-aktivierende Fähigkeit verfügten. Aber sie wussten nicht, welche Struktur Salat hatte, um diese Fähigkeit zu erlangen. Um diese Struktur zu bestimmen, wandten sie sich – in der neuen Studie – an ihren langjährigen Mitarbeiter, den leitenden NHLBI-Ermittler Dr. Adrian R. Ferré-D’Amaré.

In der von Dr. Luiz Passalacqua, einem wissenschaftlichen Mitarbeiter im Team von Dr. Ferré-D’Amaré, geleiteten Forschung wurden fortschrittliche strukturelle Bildgebungstechniken, einschließlich Kryo-Elektronenmikroskopie, verwendet, um die Struktur von Salat mit atomarer Auflösung aufzulösen. Sie fanden heraus, dass es sich zu einer Form faltet, in deren Mitte sich eine Vier-Wege-DNA-Verbindung befindet, wie sie noch nie zuvor gesehen wurde, und die das Fluorophor auf eine Weise umschließt, die es aktiviert. Sie beobachteten auch, dass die Faltungen des Salats durch Bindungen zwischen Nukleobasen zusammengehalten werden – den Bausteinen der DNA, die im aus vier Buchstaben bestehenden DNA-Alphabet oft als „Buchstaben“ bezeichnet werden.

„Was wir entdeckt haben, ist nicht, dass DNA versucht, wie ein Protein zu sein; es ist eine DNA, die das tut, was GFP tut, aber auf ihre ganz eigene Art und Weise“, sagte Dr. Ferré-D’Amaré.

Die Forscher sagten, dass die Ergebnisse die Entwicklung fluoreszierender DNA-Moleküle wie Salat für Schnelldiagnosetests sowie eine Vielzahl anderer wissenschaftlicher Anwendungen beschleunigen sollten, bei denen ein DNA-basierter Fluoreszenzmarker wünschenswert ist.

„Studien wie diese werden für die Entwicklung neuer DNA-basierter Werkzeuge von entscheidender Bedeutung sein“, sagte Dr. Jaffrey.