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ForschungsForum Paderborn
Quelle: Keller
Abb. 1: a) Schematische Darstellung der DNA-Doppelhelix und ein entsprechendes atomares Modell, b) Schematische Darstellung einer Vier-Arm-Kreuzung
aufgebaut aus vier teilkomplementären DNA-Einzelsträngen.
Windung aufweist. Dieser Vorgang, dass sich zwei
komplementäre DNA-Einzelstränge zu einer
Doppelhelix zusammenschließen, wird „Hybridisierung“
genannt.
Die hohe Spezifizität der Watson-Crick-Basenpaarung
kann dazu genutzt werden, auch komplexere
DNA-Strukturen zu generieren. Hierzu werden
DNA-Einzelstränge miteinander hybridisiert, die
nur teilweise komplementär zueinander sind. Auf
diese Weise können etwa Kreuzungen aus Doppelhelices
erzeugt werden, welche aus vier teilkomplementären
Einzelsträngen aufgebaut sind
(Abbildung 1 b). Derartige Vier-Arm-Kreuzungen
stellen das fundamentalste Strukturmotiv der
DNA-Nanotechnologie dar. Eine Vielzahl von zweiund
dreidimensionalen Nanostrukturen mit unterschiedlichen
Komplexitätsgraden wurde in den
letzten 30 Jahren basierend auf diesem Motiv
erzeugt.
DNA-Origami
Eine besondere Variation dieses Ansatzes stellt
eine „DNA-Origami“ genannte Methode dar,
welche erstmals im Jahr 2006 von Paul Rothemund
vorgestellt wurde [2]. Im Unterschied zur
„klassischen DNA-Nanotechnologie“, welche
Strukturen aus kurzen, synthetischen DNA-Einzelsträngen
aufbaut, findet beim DNA-Origami ein
langer, vollständig sequenzierter Gerüststrang,
welcher in der Regel ein virales Genom darstellt,
Verwendung (Abbildung 2). Dieser wird nun mit
einigen hundert kurzen synthetischen Helfersträngen
hybridisiert, welche aufgrund ihrer gewählten
Sequenzen an mehrere entfernte Stellen auf dem
Gerüst binden und dieses so in eine vordefinierte
zwei- oder dreidimensionale Struktur falten. Die
Form der dabei entstehenden Struktur wird hierbei
vollständig von den Sequenzen der einzelnen
Helferstränge vorgegeben und kann fast beliebig
gewählt werden.
Die Assemblierung der DNA-Origami-Nanostrukturen
findet typischerweise unter einem großen
Überschuss an Helfersträngen statt, wodurch
Assemblierungsfehler nur in geringem Umfang
auftreten bzw. dynamisch „ausheilen“. Hierzu
werden die einzelnen Stränge in einer Mg 2+ -haltigen
Pufferlösung gemischt, welche die elektrostatische
Abstoßung zwischen den negativ geladenen
DNA-Strängen abschirmt. Die resultierende
Lösung wird dann schnell auf eine Temperatur
zwischen 60 und 90 °C, welche oberhalb der
Schmelztemperatur der DNA liegt, aufgeheizt und
anschließend über einen Zeitraum von ca. 90
Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. Während
dieser Abkühlung haben die einzelnen Helferstränge
ausreichend Zeit, ihre komplementären
Sequenzen auf dem Gerüststrang zu finden und
diesen in die gewünschte Form zu falten. Überschüssige
Helferstränge werden anschließend
mittels Zentrifugation abgetrennt. Auf diese Weise
können innerhalb von zwei Stunden mehrere
Billionen annähernd beliebig geformte Nanostrukturen
hergestellt werden, wobei sich Ausbeuten
an perfekt gefalteten Strukturen von über 90
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