12.01.2022 - Université de Montréal

Chemiker bauen mit DNA die kleinste Antenne der Welt

"Die Ergebnisse sind so spannend, dass wir derzeit an der Gründung eines Start-ups arbeiten"

Forscher der Université de Montréal haben eine Nanoantenne zur Überwachung der Bewegungen von Proteinen entwickelt. Das Gerät, über das diese Woche in Nature Methods berichtet wurde, ist eine neue Methode zur Überwachung der strukturellen Veränderungen von Proteinen im Laufe der Zeit - und könnte Wissenschaftlern helfen, natürliche und vom Menschen entwickelte Nanotechnologien besser zu verstehen.

"Die Ergebnisse sind so aufregend, dass wir derzeit an der Gründung eines Start-up-Unternehmens arbeiten, um diese Nanoantenne zu kommerzialisieren und den meisten Forschern und der pharmazeutischen Industrie zur Verfügung zu stellen", sagte UdeM-Chemieprofessor Alexis Vallée-Bélisle, der Hauptautor der Studie.

Eine Antenne, die wie ein Zwei-Wege-Radio funktioniert

Vor über 40 Jahren erfanden Forscher den ersten DNA-Synthesizer, um Moleküle zu erzeugen, die genetische Informationen kodieren. "In den letzten Jahren haben Chemiker erkannt, dass DNA auch zum Bau einer Vielzahl von Nanostrukturen und Nanomaschinen verwendet werden kann", fügt der Forscher hinzu, der auch den kanadischen Forschungslehrstuhl für Bioengineering und Bionanotechnologie innehat.

"Inspiriert von den 'Lego-ähnlichen' Eigenschaften der DNA mit Bausteinen, die typischerweise 20.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar sind, haben wir eine fluoreszierende Nanoantenne auf DNA-Basis geschaffen, die helfen kann, die Funktion von Proteinen zu charakterisieren", sagte er.

"Wie ein Zwei-Wege-Radio, das sowohl Radiowellen empfangen als auch senden kann, empfängt die fluoreszierende Nanoantenne Licht in einer Farbe oder Wellenlänge und sendet dann, je nach der von ihr wahrgenommenen Bewegung des Proteins, Licht in einer anderen Farbe zurück, die wir erkennen können."

Eine der wichtigsten Innovationen dieser Nanoantennen besteht darin, dass der Empfängerteil der Antenne auch dazu dient, die molekulare Oberfläche des untersuchten Proteins durch molekulare Wechselwirkung zu erfassen.

Einer der Hauptvorteile der Verwendung von DNA zur Entwicklung dieser Nanoantennen ist, dass die DNA-Chemie relativ einfach und programmierbar ist", sagte Scott Harroun, ein UdeM-Doktorand in Chemie und Erstautor der Studie.

"Die DNA-basierten Nanoantennen können mit verschiedenen Längen und Flexibilitäten synthetisiert werden, um ihre Funktion zu optimieren", sagte er. "Man kann einfach ein fluoreszierendes Molekül an die DNA anhängen und diese fluoreszierende Nanoantenne dann an eine biologische Nanomaschine, wie z. B. ein Enzym, anbringen.

"Durch sorgfältige Abstimmung des Nanoantennendesigns haben wir eine fünf Nanometer lange Antenne geschaffen, die ein deutliches Signal erzeugt, wenn das Protein seine biologische Funktion ausführt."

Fluoreszierende Nanoantennen eröffnen den Wissenschaftlern zufolge viele spannende Möglichkeiten in der Biochemie und Nanotechnologie.

"Wir konnten zum Beispiel zum ersten Mal in Echtzeit die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase mit einer Vielzahl von biologischen Molekülen und Medikamenten nachweisen", so Harroun. "Dieses Enzym wird mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter verschiedene Krebsarten und Darmentzündungen.

"Diese neue Methode hilft uns nicht nur zu verstehen, wie natürliche Nanomaschinen funktionieren oder Fehlfunktionen aufweisen, die zu Krankheiten führen, sondern sie kann auch Chemikern dabei helfen, vielversprechende neue Medikamente zu identifizieren und Nanoingenieuren bei der Entwicklung verbesserter Nanomaschinen helfen", fügte Dominic Lauzon hinzu, ein Mitautor der Studie, der an der UdeM in Chemie promoviert.

Ein wichtiger Fortschritt, der durch diese Nanoantennen ermöglicht wird, ist auch ihre Benutzerfreundlichkeit, so die Wissenschaftler.

"Was uns vielleicht am meisten freut, ist die Erkenntnis, dass viele Labors auf der ganzen Welt, die mit einem herkömmlichen Spektrofluorometer ausgestattet sind, diese Nanoantennen problemlos zur Untersuchung ihres Lieblingsproteins einsetzen könnten, um beispielsweise neue Medikamente zu identifizieren oder neue Nanotechnologien zu entwickeln", so Vallée-Bélisle.

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