Biophysik – Blitzlicht aus der Nanowelt

DNA-Origami ist eine Technik, die es möglich macht, DNA-Stränge zu komplexen, nanometergenauen Objekten zu falten. Die Methode hat großes Potenzial für zahlreiche Anwendungen in der biologischen und biophysikalischen Grundlagenforschung. Aktuell versuchen Wissenschaftler unter anderem, funktionierende dynamische Nanomaschinen auf Basis von DNA-Origami zu entwickeln. Dafür ist es wichtig, die entstehenden Objekte in allen Einzelteilen präzise zu charakterisieren.

Ein Team um Ralf Jungmann, Professor für Experimentalphysik an der LMU und Leiter der Forschungsgruppe Molekulare Bildgebung und Bionanotechnologie am Max-Planck-Institut für Biochemie (Martinsried), hat dabei nun einen entscheidenden Durchbruch erzielt: Wie die Forscher im Fachmagazin Nature Communications berichten, konnten sie mithilfe superauflösender Mikroskopie erstmals alle Stränge einer Struktur sichtbar machen und zeigen, dass deren Zusammenbau selbst unter verschiedenen Bedingungen sehr robust erfolgt, jedoch die Einbauwahrscheinlichkeit von der Position der Stränge in der Struktur abhängig zu sein scheint.

Beim DNA-Origami wird ein langes, einzelsträngiges DNA-Molekül mit vielen kurzen Strängen zusammengebracht. Diese binden an bestimmten Stellen an den langen Strang und falten ihn so in genau vorbestimmte Formen.

„In unserem Fall ordnen sich die DNA-Stränge von selbst in eine flache, rechteckige Struktur an, die zur Zeit bei den meisten DNA-Origami Studien verwendet wird“, sagt Maximilian Strauß, gemeinsam mit Florian Schüder und Daniel Haas Erstautor der Arbeit. Mithilfe einer superauflösenden Mikroskopie-Methode namens DNA-PAINT gelang es den Wissenschaftlern, die DNA-Struktur im Detail direkt abzubilden. „Dadurch können wir erstmals sehen, wie gut das Objekt zusammengebaut ist“, sagt Strauß.

Der Trick bei der superauflösenden DNA-PAINT-Technik besteht darin, dass an die kurzen DNA-Stränge Farbstoffe gebunden sind, die detektiert werden, wenn der Strang an sein Gegenstück bindet. Durch wiederholtes An- und Abbinden dieser Stränge entsteht eine Art Blinksignal. „Dadurch kann man aus den Einzelbildern eine höhere Auflösung herausrechnen und das gesamte Objekt unter die Lupe nehmen“, sagt Strauß.

„Man kann sich das so vorstellen: Wenn man ein Haus mit zwei erleuchteten Fenstern betrachtet, wirken die Fenster aus größerer Entfernung wie eine einzige Lichtquelle. Macht aber jemand abwechselnd die Lichter an und aus, kann man die beiden Fenster unterscheiden.“ Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass die Forscher nicht nur die Position der DNA-Stränge genau bestimmen können, sondern dass sie durch das spezifische Blinksignal auch wissen, dass sie tatsächlich aktiv und für weitere Modifikationen zugänglich sind.

Die Wissenschaftler konnten mit der neuen Untersuchungsmethode zeigen, dass der Zusammenbau der Nanostruktur offenbar wenig störungsanfällig ist und viele Parameter – etwa die Geschwindigkeit des Vorgangs – kaum einen Einfluss darauf haben. Durch die Zugabe von zusätzlichen DNA-Strängen konnten die Forscher den Zusammenbau verbessern, aber trotzdem waren oft nicht alle Stränge eingebaut, nicht alle möglichen Bindungsstellen also besetzt.

„Für den Bau von Nanomaschinen empfiehlt es sich daher, die einzelnen Bauteile in hohem Überschuss dazuzugeben und die Position der Modifikationen gemäß unserer Kartierung der Einbaueffizienz zu wählen“, sagt Strauß.

Mithilfe der neuen Methode ist es nun möglich, die Konstruktion von DNA-Nanostrukturen zu optimieren. Zudem sind die Wissenschaftler der Überzeugung, dass die Technik großes Potenzial in der quantitativen Strukturbiologie hat und es ermöglichen kann, wichtige Parameter wie die Markierungseffizienz von Antikörpern, zellulären Proteinen oder Nukleinsäuren direkt zu bestimmen.

Publikation:
Quantifying absolute addressability in DNA origami with molecular resolution
Maximilian T. Strauss, Florian Schueder, Daniel Haas, Philipp C. Nickels & Ralf Jungmann
Nature Communications 2018

Kontakt:
Prof. Dr. Ralf Jungmann
Fakultät für Physik
Physik weicher Materie und Biophysik
Telefon: (089) 2180-6277
Fax: (089) 2180-3182
E-Mail: jungmann@physik.lmu.de
https://www.physik.uni-muenchen.de/personen/professoren/jungmann/index.html