Silbernanopartikel und DNA-Origami: Fortschritte optimieren DNA-Montage und Nanomanufaktur
Forscher haben eine auf Silbernanopartikeln basierende DNA-Spleißmethode entwickelt, die die Montageeffizienz um das Zwei- bis Fünffache verbessert, und Designprinzipien für DNA-Origami entdeckt, die die Ausbeute um bis zu 17 % erhöhen und kürzere Fertigungszeiten ermöglichen.
Neue Forschungsergebnisse treiben die Montage und Herstellung von DNA-Strukturen voran: Wissenschaftler in Japan haben eine Methode auf Basis von Silbernanopartikeln entwickelt, um DNA zu schneiden und zu verbinden, während Forscher in Texas Designprinzipien aufgedeckt haben, die das Falten von DNA-Origami zuverlässiger machen. Die japanische Technik verbessert die Effizienz der DNA-Montage um das Zwei- bis Fünffache und hat sich in lebenden Zellen bewährt, während die DNA-Origami-Erkenntnisse die Produktion nanoskaliger Materialien schneller und einfacher machen könnten.
Die Methode zum Spleißen mit Silbernanopartikeln wurde von Forschern der Nagoya University und der Gifu University entwickelt und in Nucleic Acids Research veröffentlicht. Herkömmliches DNA-Spleißen beruht auf Restriktionsenzymen und klebrigen Enden, doch diese Enzyme sind oft unpräzise und erzeugen nicht optimale Verbindungen. Das japanische Team setzte stattdessen auf chemische Reaktionen mit Silbernanopartikeln und griff dabei auf Forschung aus den 1990er-Jahren zurück, bei der Silberionen verwendet wurden, um 3′-Thiol-modifizierte DNA zu schneiden – allerdings nur mit einer Ausbeute von 14 % aufgrund unspezifischer Bindung. Durch den Ersatz von Ionen durch Nanopartikel konnten die Forscher das Silber per Zentrifugation entfernen und die Ausbeute erheblich verbessern.
Erste Versuche stießen jedoch auf eine weitere Hürde: Um eine hohe Spaltungseffizienz zu erreichen, waren Temperaturen und Zeitspannen nötig, die der DNA schadeten. Bei 70 °C erreichte die DNA nur 50 % Effizienz, und bei 95 °C dauerte es zwei Stunden, um sich 100 % zu nähern. Die Beschichtung der Silbernanopartikel mit Polyethylenglykol (PEG) steigerte die Effizienz bei 37 °C innerhalb von zwei Stunden von 36 % auf 92 %. Nach der Optimierung erreichte das Team bei 50 °C innerhalb von ein bis zwei Stunden eine Spaltungseffizienz von über 91 %. Die neue Technik verbessert die Effizienz der DNA-Montage um das Zwei- bis Fünffache. Den Forschern gelang es, ein DNA-Fragment in lebende Zellen einzuschleusen und so die Expression eines Gens für ein grün fluoreszierendes Protein zu bestätigen. Zu ihren nächsten Zielen gehören die Überprüfung der Reproduzierbarkeit über ein breites Spektrum von Sequenzen, die Hochskalierung auf längere DNA, die Entwicklung von Protokollen im Kit-Format sowie die Ausweitung der Technik auf die DNA-Montage im Genommaßstab, mRNA-Bibliotheken und langkettige DNA, die therapeutische Proteine kodiert.
In einer separaten, in Small veröffentlichten Studie haben Forscher der University of Texas at Austin systematisch analysiert, wie Designentscheidungen das Falten von DNA-Origami beeinflussen – einer Technik, bei der sich DNA-Stränge selbst zu programmierbaren Formen anordnen. Mithilfe von Echtzeit-Fluoreszenzmessungen, Elektronenmikroskopie und theoretischer Modellierung identifizierten sie energetische Kräfte, die darüber entscheiden, ob eine Struktur korrekt zusammengebaut wird. Das Falten hängt von einem Gleichgewicht zwischen günstigen DNA-Bindungswechselwirkungen und ungünstigen Energiekosten ab, die mit der Bildung von Schleifen verbunden sind. Das Team stellte außerdem fest, dass die „Kooperativität“ – also die Art und Weise, wie verschiedene Teile der Struktur sich während des Zusammenbaus gegenseitig beeinflussen – eine zentrale Rolle spielt. Die Verringerung der Anzahl interhelikaler Verbindungen im Design erhöht das kooperative Verhalten und verbessert die Faltungsausbeute, während eine bloße Verstärkung der Bindung zwischen Strängen weniger effektiv ist, da sie entropische Strafen mit sich bringt.
Im Rahmen der Arbeit erstellten die Forscher das nach eigener Einschätzung kleinste je geschaffene Longhorn-Logo: eine vollständig aus DNA bestehende Struktur mit einem Durchmesser von etwa 100 Nanometern und einer Dicke von 2 Nanometern. Sie ist tausende Male dünner als ein menschliches Haar, und etwa 10 Millionen winzige Longhorns würden in das Volumen eines Sandkorns passen. Das Team demonstrierte zudem eine praktische Verbesserung: Durch einen kürzeren, gezielteren Aufheiz- und Abkühlprozess, der ein bis zwei Stunden dauert statt des herkömmlichen mehrtägigen Prozesses, steigerten sie die Montageausbeute um bis zu 17 % und fertigten in weniger als zwei Stunden Millionen von Kopien an. Die Ergebnisse liefern einen klareren Rahmen für das Design von DNA-Nanostrukturen mit höherer Effizienz und Zuverlässigkeit, was Anwendungen in Medizin, Elektronik und Materialwissenschaften beschleunigen könnte.