DNA-nanobuisjesringen: onderzoeksteam ontwikkelt belangrijke bouwsteen voor kunstmatige cellen

Tijdens de celdeling vormt zich een ring rond de celevenaar, die samentrekt om de cel in twee dochtercellen te verdelen. Samen met onderzoekers uit Heidelberg, Dresden, Tübingen en Harvard zijn professor Jan Kierfeld en Lukas Weise van de afdeling natuurkunde van de TU Dortmund Universiteit er voor het eerst in geslaagd een dergelijke contractiele ring te synthetiseren met behulp van DNA-nanotechnologie en het contractiemechanisme ervan bloot te leggen. . De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

In de synthetische biologie proberen onderzoekers cruciale mechanismen van het leven in vitro na te bootsen, zoals celdeling. Het doel is om minimale cellen te kunnen synthetiseren. Het onderzoeksteam onder leiding van professor Kerstin Göpfrich van de Universiteit van Heidelberg heeft nu synthetisch contractiele ringen voor celdeling gereproduceerd met behulp van polymeerringen die zijn samengesteld uit DNA-nanobuisjes.

De vorming van een ring die delende cellen samentrekt en scheidt, is een belangrijke stap in de natuurlijke celdeling. In de natuur wordt dit bereikt door een machinerie van eiwitten: motoreiwitten die worden aangedreven door chemische energie uit ATP-hydrolyse trekken een ring van filamenten van het eiwit actine samen. Adenosinetrifosfaat, of ATP, is een molecuul dat in alle levende cellen voorkomt en de energie levert voor tal van cellulaire processen.

Het contractiemechanisme van de door de onderzoekers ontwikkelde DNA-ringen is niet langer afhankelijk van motoreiwitten die worden aangedreven door ATP-hydrolyse. In plaats daarvan kan moleculaire aantrekkingskracht tussen ringsegmenten de samentrekking van de polymeerringen veroorzaken.

Deze moleculaire aantrekking kan op twee manieren worden geïnduceerd: ofwel door het verknopen van moleculen met twee ‘plakkerige’ uiteinden die twee polymeersegmenten kunnen verbinden, of door middel van de uitputtingsinteractie, waarbij de polymeren worden omgeven door ‘crowder’-moleculen die de segmenten tegen elkaar drukken. . Dit mechanisme verbruikt geen chemische energie, wat betekent dat er geen energiebron in de synthetische cel hoeft te worden opgenomen om het mechanisme te laten functioneren.

Professor Jan Kierfeld, hoogleraar Theoretische Fysica, en promovendus Lukas Weise werken op het gebied van de biologische fysica. Als onderdeel van hun onderzoekswerk hebben ze een theoretische beschrijving en een moleculaire dynamische simulatie van het contractiemechanisme ontwikkeld, die overeenkomen met de experimentele resultaten van hun onderzoekspartners.

Hiervoor bedachten ze speciale methoden om de DNA-ringen op realistische schaal te simuleren. Theorie en simulatie maken het mogelijk om kwantitatief uit te leggen hoe de polymeerringen zich vormen en samentrekken.

“Dit betekent dat we niet alleen kunnen voorspellen dat een verhoogde concentratie van ‘crowder’-moleculen de ring kleiner zal maken, maar ook hoeveel kleiner”, zegt professor Kierfeld. Op deze manier is het mogelijk om te bepalen hoe de diameter van de DNA-ring nauwkeurig kan worden gecontroleerd, wat van groot belang is voor toekomstige toepassingen van contractiele ringen in de synthetische biologie.

Mechanismen voor celdeling zijn een belangrijke stap in de richting van een kunstmatige cel, waarvan de constructie een beter begrip van de functionele mechanismen van natuurlijke cellen en daarmee van de fundamenten van het leven mogelijk maakt.