Ein „Nano-Roboter“, der vollständig aus DNA gebaut ist, um Zellprozesse zu erforschen

Einen winzigen Roboter aus DNA zu konstruieren und damit Zellprozesse zu untersuchen, die mit bloßem Auge unsichtbar sind … Man könnte meinen, es sei Science-Fiction, aber es ist tatsächlich Gegenstand ernsthafter Forschung von Wissenschaftlern von Inserm, CNRS und Université de Montpellier am Zentrum für Strukturbiologie in Montpellier. Dieser hochinnovative „Nano-Roboter“ soll eine genauere Untersuchung der auf mikroskopischer Ebene wirkenden mechanischen Kräfte ermöglichen, die für viele biologische und pathologische Prozesse entscheidend sind. Es wird in einer neuen Studie beschrieben, die in veröffentlicht wurde Naturkommunikation.

Unsere Zellen sind mechanischen Kräften ausgesetzt, die im mikroskopischen Maßstab ausgeübt werden und biologische Signale auslösen, die für viele Zellprozesse, die an der normalen Funktion unseres Körpers oder an der Entwicklung von Krankheiten beteiligt sind, unerlässlich sind.

So ist das Tastgefühl zum Teil bedingt durch die Anwendung mechanischer Kräfte auf bestimmte Zellrezeptoren (deren Entdeckung dieses Jahr mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin belohnt wurde). Neben der Berührung ermöglichen diese für mechanische Kräfte empfindlichen Rezeptoren (sog. Mechanorezeptoren) die Regulation weiterer wichtiger biologischer Prozesse wie Blutgefäßverengung, Schmerzwahrnehmung, Atmung oder auch die Wahrnehmung von Schallwellen im Ohr etc.

Die Dysfunktion dieser zellulären Mechanosensitivität ist an vielen Krankheiten beteiligt – zum Beispiel Krebs: Krebszellen wandern innerhalb des Körpers, indem sie sondieren und sich ständig an die mechanischen Eigenschaften ihrer Mikroumgebung anpassen. Eine solche Anpassung ist nur möglich, weil bestimmte Kräfte von Mechanorezeptoren erfasst werden, die die Information an das Zytoskelett der Zelle weiterleiten.

Gegenwärtig ist unser Wissen über diese molekularen Mechanismen, die an der Mechanosensitivität von Zellen beteiligt sind, noch sehr begrenzt. Es sind bereits mehrere Technologien verfügbar, um kontrollierte Kräfte anzuwenden und diese Mechanismen zu untersuchen, aber sie haben eine Reihe von Einschränkungen. Insbesondere sind sie sehr kostspielig und erlauben es uns nicht, mehrere Zellrezeptoren gleichzeitig zu untersuchen, was ihre Verwendung sehr zeitaufwändig macht, wenn wir viele Daten sammeln wollen.

DNA-Origami-Strukturen

Um eine Alternative vorzuschlagen, entschied sich das Forschungsteam unter der Leitung des Inserm-Forschers Gaëtan Bellot am Zentrum für Strukturbiologie (Inserm/CNRS/Université de Montpellier) für die Verwendung der DNA-Origami-Methode. Dies ermöglicht die Selbstorganisation von 3D-Nanostrukturen in einer vordefinierten Form unter Verwendung des DNA-Moleküls als Baumaterial. In den letzten zehn Jahren hat die Technik große Fortschritte auf dem Gebiet der Nanotechnologie ermöglicht.

Dadurch konnten die Forscher einen „Nanoroboter“ entwerfen, der aus drei DNA-Origami-Strukturen besteht. Nanometrisch ist es daher mit der Größe einer menschlichen Zelle kompatibel. Es ermöglicht erstmals, eine Kraft mit einer Auflösung von 1 Pikonewton, also einem Billionstel Newton, aufzubringen und zu kontrollieren – wobei 1 Newton der Kraft eines Fingers entspricht, der auf einen Stift klickt. Dies ist das erste Mal, dass ein von Menschen hergestelltes, selbst zusammengesetztes DNA-basiertes Objekt Kraft mit dieser Genauigkeit ausüben kann.

Das Team begann damit, den Roboter mit einem Molekül zu koppeln, das einen Mechanorezeptor erkennt. Dadurch war es möglich, den Roboter auf einige unserer Zellen zu lenken und gezielt Kräfte auf gezielt auf der Oberfläche der Zellen lokalisierte Mechanorezeptoren anzuwenden, um diese zu aktivieren.

Ein solches Werkzeug ist für die Grundlagenforschung sehr wertvoll, da es verwendet werden könnte, um die molekularen Mechanismen, die an der Mechanosensitivität von Zellen beteiligt sind, besser zu verstehen und neue Zellrezeptoren zu entdecken, die empfindlich auf mechanische Kräfte reagieren. Dank des Roboters werden die Wissenschaftler auch genauer untersuchen können, in welchem ​​Moment bei Krafteinwirkung wichtige Signalwege für viele biologische und pathologische Prozesse auf Zellebene aktiviert werden.

„Das Design eines Roboters, der die In-vitro- und In-vivo-Anwendung von Piconewton-Kräften ermöglicht, trifft auf eine wachsende Nachfrage in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und stellt einen großen technologischen Fortschritt dar. Die Biokompatibilität des Roboters kann jedoch sowohl als Vorteil für In-vivo-Anwendungen als auch als Vorteil angesehen werden kann auch eine Empfindlichkeitsschwäche gegenüber Enzymen darstellen, die DNA abbauen können. Daher wird unser nächster Schritt sein, zu untersuchen, wie wir die Oberfläche des Roboters so modifizieren können, dass sie weniger empfindlich auf die Wirkung von Enzymen reagiert. Wir werden auch versuchen, andere zu finden Aktivierungsmöglichkeiten unseres Roboters, beispielsweise über ein Magnetfeld“, sagt Bellot.