DNA-origami en fluorescerende probes kunnen nauwkeurig moleculaire lading vrijgeven

In de wereld van nanotechnologie wordt de ontwikkeling van dynamische systemen die reageren op moleculaire signalen steeds belangrijker. De DNA-origamitechniek, waarbij DNA wordt geprogrammeerd om functionele nanostructuren te produceren, speelt een sleutelrol in deze inspanningen.

Teams onder leiding van LMU-chemicus Philip Tinnefeld hebben nu twee onderzoeken gepubliceerd die laten zien hoe DNA-origami en fluorescerende probes kunnen worden gebruikt om moleculaire lading op een gerichte manier vrij te geven.

In het tijdschrift Angewandte Chemie Internationale Editiede onderzoekers rapport over hun ontwikkeling van een nieuwe op DNA-origami gebaseerde sensor die lipideblaasjes kan detecteren en er nauwkeurig moleculaire lading aan kan leveren. De sensor werkt met behulp van single-molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer (smFRET), waarbij de afstand tussen twee fluorescerende moleculen wordt gemeten.

Het systeem bestaat uit een DNA-origamistructuur, waaruit een enkelstrengs DNA steekt, dat aan het uiteinde is gelabeld met fluorescerende kleurstof. Als het DNA in contact komt met vesikels, verandert de conformatie. Dit verandert het fluorescerende signaal, omdat de afstand tussen het fluorescerende label en een tweede fluorescerend molecuul op de origamistructuur verandert. Deze methode maakt het mogelijk om vesikels te detecteren.

Sensor wordt nauwkeurig overgebracht

In een tweede stap kan het systeem worden gebruikt als een middel om moleculen te transporteren, waarbij de sensorstreng dient als moleculaire lading die naar het vesikel kan worden overgebracht. Door een verdere aanpassing van het systeem konden de onderzoekers ook de overdracht van de lading nauwkeurig regelen.

Lipideblaasjes spelen een sleutelrol in veel cellulaire processen, zoals moleculair transport en signaaloverdracht. Als zodanig is het vermogen om ze te detecteren en te manipuleren met name interessant voor biotechnologische toepassingen zoals de ontwikkeling van gerichte therapieën.

De hier uiteengezette aanpak zou een manier kunnen zijn om lipidenanodeeltjes te laden met een nauwkeurig gedefinieerd aantal moleculen in toepassingen zoals vaccins. “Ons systeem biedt ook veelbelovende benaderingen voor biologisch onderzoek als het gaat om het beter begrijpen en beheersen van cellulaire processen op moleculair niveau,” zegt Tinnefeld.

Beheersbare conformatieveranderingen

In de tweede studiedat onlangs werd gepubliceerd in Natuurcommunicatieeen tweede team onder leiding van Tinnefeld en Yonggang Ke (Emory University, Atlanta, Georgia) presenteert een DNA-origamistructuur die een stapsgewijze allosterische conformatieverandering ondergaat wanneer bepaalde DNA-strengen zich binden.

Met behulp van FRET-probes konden de onderzoekers dit proces op moleculair niveau volgen en laten zien hoe de reactiestappen tijdelijk gecontroleerd kunnen worden. Daarnaast laten ze zien hoe een DNA-lading op een gerichte manier kan worden vrijgegeven tijdens dit proces, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor gecontroleerde reactiecascades.