Modulare Biosensoren auf DNA-Origami-Basis

Das Team um den Chemiker Philip Tinnefeld von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) beschreibt im Fachjournal Nature Nanotechnology eine neue Einsatzmöglichkeit von sogenannten DNA-Origami-Strukturen, die durch zwei- und dreidimensionale Faltung von DNA-Molekülen entstehen, als flexible und vielseitige Biosensoren. Das DNA-Origami-Gerüst dieser Sensoren besteht aus zwei Armen, die jeweils mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert sind und über ein „Scharnier“ öffnen und schließen können. Diese Konformationsänderung bei Bildung von Zielmolekülen lässt sich mikroskopisch mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET) detektieren. Da die Strukturen im rechten Winkel ausklappen können, verändert sich das Fluoreszenzsignal durch den großen Abstand der Farbstoffe deutlich, was sehr präzise Messungen erlaubt.

Der Clou bei der neuen Technologie: Der Sensor kann mit Andockstellen für verschiedene biomolekulare Ziele versehen werden – Nukleinsäuren, Antikörper oder andere Proteine. Für den Einsatz in unterschiedlichen Konzentrationsbereichen lässt sich die Technologie durch zusätzliche Bindungsstellen oder stabilisierende DNA-Stränge gezielt anpassen. „Mit dem Origami kann man relativ einfach designen, dass mehrere molekulare Interaktionen zwischen Zielmolekül und Sensor gleichzeitig abgefragt werden“, erklärt Tinnefeld die Vorteile des flexiblen Systems. „Diese Mehrfach-Bindungen führen zu interessanten kooperativen Effekten, die es erlauben, die Sensitivität des Sensors gezielt zu steuern, ohne in die biomolekularen Wechselwirkungen selbst – also die Stärke, mit der das Zielmolekül an seine Bindungsstelle andockt – einzugreifen.“

Dank ihres modularen Designs, ihrer hohen Empfindlichkeit und ihrer Flexibilität unter verschiedenen Bedingungen stellt die Biosensor-Plattform einen vielversprechenden Ansatz für weitere Entwicklungen in diversen Anwendungsbereichen dar. Dazu gehört beispielsweise die gezielte Freisetzung von Wirkstoffen unter bestimmten Bedingungen oder die Überwachung unterschiedlicher Parameter. Eine Erweiterung, die das Team bereits erfolgreich umgesetzt hat, ist die Kombination des Sensors mit der CRISPR/Cas9-Technologie, um verschiedene RNA-Zielmoleküle parallel detektieren zu können.

München ist einer der Hotspots für die Bionanotechnologie rund um DNA-Origami-Strukturen, die in der medizinischen Forschung und Diagnostik eingesetzt werden. Durch gezielte Basenpaarsequenzen lassen sich DNA-Strukturen gestalten, die nicht nur als molekulare Gerüste dienen, sondern auch funktionale Einheiten integrieren können. Auf diese Weise konnten neben Biosensoren bereits molekulare Schaltelemente für algorithmische Berechnungen, DNA-Nanoroboter wie molekulare „Läufer“ und nanotechnologische Systeme zur Selbstorganisation von Materialien konstruiert werden.