02.08.2022 - Institut national de la santé et de la recherche médicale (Inserm)

Ein vollständig aus DNA gebauter "Nano-Roboter" zur Erforschung von Zellprozessen

Die Konstruktion eines winzigen Roboters aus DNA und seine Verwendung zur Untersuchung von Zellprozessen, die für das bloße Auge unsichtbar sind... Man könnte meinen, es handele sich um Science-Fiction, aber in Wirklichkeit ist er Gegenstand ernsthafter Forschung von Wissenschaftlern des Inserm, des CNRS und der Universität Montpellier am Zentrum für Strukturbiologie in Montpellier. Dieser hochinnovative "Nano-Roboter" soll eine genauere Untersuchung der mechanischen Kräfte auf mikroskopischer Ebene ermöglichen, die für zahlreiche biologische und pathologische Prozesse entscheidend sind. Er wird in einer neuen Studie beschrieben, die in Nature Communications veröffentlicht wurde.

Unsere Zellen sind mechanischen Kräften ausgesetzt, die auf mikroskopischer Ebene wirken und biologische Signale auslösen, die für viele Zellprozesse wichtig sind, die für das normale Funktionieren unseres Körpers oder für die Entstehung von Krankheiten verantwortlich sind.

So hängt beispielsweise das Gefühl der Berührung teilweise von der Einwirkung mechanischer Kräfte auf bestimmte Zellrezeptoren ab (für deren Entdeckung dieses Jahr der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin verliehen wurde). Neben dem Tastsinn ermöglichen diese für mechanische Kräfte empfindlichen Rezeptoren (die so genannten Mechanorezeptoren) die Regulierung anderer wichtiger biologischer Prozesse wie die Verengung der Blutgefäße, die Schmerzwahrnehmung, die Atmung oder auch die Wahrnehmung von Schallwellen im Ohr usw.

Die Störung dieser zellulären Mechanosensitivität ist an vielen Krankheiten beteiligt - zum Beispiel an 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 spezifische Kräfte von Mechanorezeptoren erfasst werden, die die Informationen an das Zellskelett weiterleiten.

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

DNA-Origami-Strukturen

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

So konnten die Forscher einen "Nano-Roboter" entwerfen, der aus drei DNA-Origami-Strukturen besteht. Er hat eine Größe im Nanometerbereich und ist daher mit der Größe einer menschlichen Zelle kompatibel. Damit ist es zum ersten Mal möglich, eine Kraft mit einer Auflösung von 1 Piconewton, d. h. 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 Objekt auf DNA-Basis eine Kraft mit dieser Genauigkeit ausüben kann.

Das Team begann damit, den Roboter mit einem Molekül zu verbinden, das einen Mechanorezeptor erkennt. Dadurch war es möglich, den Roboter zu einigen unserer Zellen zu lenken und gezielt Kräfte auf bestimmte Mechanorezeptoren auf der Zelloberfläche auszuüben, um sie zu aktivieren.

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

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