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DNA Nano-Adapter: Impuls für Einzelmolekül DNA-Sequenzierung

10.06.2014

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Braunschweig haben einen winzigen Adapter entwickelt, der es ermöglicht, Moleküle mit Nanostrukturen im ein Milliardstel Meter Bereich zu verbinden und an einem gewünschten Ort zu platzieren.

Die Entwicklung kann vor allem für die Entschlüsselung des Erbgutes (DNA-Sequenzierung) von Bedeutung sein, die als Schlüsselmethode bei der Analyse genetisch bedingter Erkrankungen gilt. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nano Letters“ stellen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun ihre Forschungsergebnisse vor.


Strategie für Immobilisierung: mit einem Fluoreszenzfarbstoff beladene DNA Origami (graue Rechtecke) füllen die kleinen Löcher in einem Metallfilm so aus, dass nur ein Adapter pro Loch Platz hat.

TU Braunschweig


Vergleich zwischen optimaler Poisson-Verteilung und der experimentell gemessenen Verteilung in ZMWs mit 200 nm Durchmesser.

TU Braunschweig

Bei der Einzelmolekül DNA-Sequenzierung werden einzelnen Grundbausteine der DNA-Stränge, die Nukleotide, analysiert. „Eine revolutionäre Methode ist, wenn in Echtzeit beobachtet wird, wie einzelne Nukleotide zu einem ganzen DNA-Strang zusammengefügt werden“, erläutert Prof. Philip Tinnefeld.

Bestimmte Enzyme, die so genannten Polymerasen, inkorporieren die Nukleotide und fungieren dabei ähnlich wie der Zipper in einem Reißverschluss, der dabei hilft, die beiden offenen Häkchen zusammenzufügen und zu verschließen. Um diesen Prozess zu beobachten, nutzen Wissenschaftler dazu bisher spezielle Objektträger, mit denen sie der Reihenfolge der unterschiedlichen Nukleotiden auf die Schliche kommen. Auf einer Glasplatte wird ein Metallfilm mit winzigen, hochpräzise angebrachten Löchern aufgetragen. Diese Löcher nennt man Zero Mode Waveguides (ZMWs).

„Eine besondere Herausforderung für diese Anwendung ist das Bestücken dieser Nano-Löcher mit exakt einer Polymerase, an die dann die Nukleotide andocken können“, erklärt Prof. Tinnefeld. Üblicherweise werden diese Biomoleküle eher zufällig auf die ZMWs verteilt. Dadurch bleiben viele unbesetzt oder andere beherbergen mehr als ein Polymerase-Molekül, so dass selbst bei optimalem Beladen auf diese Weise nur 37 Prozent der Fläche ausgenutzt werden, so der Experte für Nano-Bio-Wissenschaften.

Moleküle verbinden und richtig platzieren
Seiner Forschergruppe ist es nun gelungen, eine neue Strategie für eine effizientere Nutzung der ZMWs vorzuschlagen. Dafür konnten die Braunschweiger Nano-Experten vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie im Laboratory of Emerging Nanometrology der Technischen Universität Braunschweig auf ihre bisherigen Erfahrungen bei der Anwendung der so genannten DNA-Origami Technik zurückgreifen:

Dabei falten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler buchstäblich aus einzelnen Strängen des Erbgutes von Viren eine Vielzahl passgenauer Strukturen. Nun haben sie diese Strukturen so angepasst, dass in jedem ZMW exakt ein Nanoadapter binden kann. Die Nanoadapter bieten zusätzlich Anbindestellen für funktionelle Einheiten, wie etwa einzelne fluoreszierende Farbstoffe oder für die DNA-Sequenzierung wichtigen Polymerase-Moleküle.

„In unserer neuen Strategie verbinden wir einzelne Moleküle aus dem DNA-Origami mit den lithographisch hergestellten Nanostrukturen der ZMWs. Dieses Verfahren kann die Effizienz der DNA-Sequenzierung verbessern und auch in anderen Gebieten wie der molekularen Elektronik kann es Anwendungsmöglichkeiten geben, da wir die Welt der Moleküle an lithographisch hergestellte Strukturen anpassen können“, fasst Prof. Tinnefeld zusammen.

Zum Forschungsprojekt
Das von der Arbeitsgruppe NanoBioSciences von Prof. Philipp Tinnefeld (Institut für Physikalische und Theoretische Chemie) im neuen Laboratory of Emerging Nanometrology der Technischen Universität Braunschweig durchgeführte Forschungsprojekt wurde durch einen Starting Grant des European Research Council (SiMBA) gefördert.

Publikation
E. Pibiri, P. Holzmeister, B. Lalkens, G.P. Acuna, P. Tinnefeld (2014):Single-Molecule Positioning in Zeromode Waveguides by DNA Origami Nano-Adapters - Nano Lett.

Kontakt
Prof. Philip Tinnefeld
Dr. Guillermo Acuna
Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Arbeitsgruppe NanoBioSciences
Laboratory of Emerging Nanometrology
Technische Universität Braunschweig
Hans-Sommer-Strasse 10
38106 Braunschweig
Tel: 0531 391 5330
E-Mail: p.tinnefeld@tu-braunschweig.de
www.tu-braunschweig.de/pci
www.tu-braunschweig.de/mib/lena

Weitere Informationen:

http://blogs.tu-braunschweig.de/presseinformationen/?p=6978

Stephan Nachtigall | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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