Illustration einer DNA-fluoreszierenden Nanoantenne. (Caitlin Monney) Wissenschaftler haben die kleinste Antenne gebaut, die jemals hergestellt wurde – nur fünf Nanometer lang. Im Gegensatz zu seinen viel größeren Gegenstücken, die wir alle kennen, ist dieses winzige Ding nicht dafür gemacht, Radiowellen zu übertragen, sondern um die Geheimnisse sich ständig verändernder Proteine zu erforschen.
Die Nanoantenne besteht aus DNA Dabei handelt es sich um Moleküle mit genetischen Anweisungen, die etwa 20.000 Mal kleiner sind als ein menschliches Haar. Es ist außerdem fluoreszierend, was bedeutet, dass es Lichtsignale verwendet, um Informationen aufzuzeichnen und zurückzumelden.
Und diese Lichtsignale können verwendet werden, um die Bewegung und Veränderung von Proteinen in Echtzeit zu untersuchen.
Ein Teil der Innovation dieser speziellen Antenne besteht darin, dass der Empfängerteil auch dazu dient, die molekulare Oberfläche des untersuchten Proteins zu erfassen. Dadurch entsteht ein deutliches Signal, wenn das Protein seine biologische Funktion erfüllt.
„Wie ein Funkgerät, das Radiowellen sowohl empfangen als auch senden kann, empfängt die fluoreszierende Nanoantenne Licht in einer Farbe oder Wellenlänge und sendet abhängig von der Proteinbewegung, die sie wahrnimmt, Licht in einer anderen Farbe zurück, die wir erkennen können.“ ' sagt der Chemiker Alexis Vallée-Bélisle , von der University of Montreal (UdeM) in Kanada.
Konkret besteht die Aufgabe der Antenne darin, die strukturellen Veränderungen von Proteinen im Laufe der Zeit zu messen. Proteine sind große, komplexe Moleküle, die im Körper alle möglichen wesentlichen Aufgaben erfüllen, von der Unterstützung des Immunsystems bis zur Regulierung der Organfunktion.
Während Proteine jedoch eilig ihrer Arbeit nachgehen, unterliegen sie ständigen Strukturveränderungen und wechseln von Zustand zu Zustand in einem hochkomplexen Prozess, den Wissenschaftler nennen Proteindynamik . Und wir verfügen nicht wirklich über gute Werkzeuge, um diese Proteindynamik in Aktion zu verfolgen.
„Die experimentelle Untersuchung transienter Proteinzustände bleibt eine große Herausforderung, da Techniken mit hoher Strukturauflösung, einschließlich Kernspinresonanz und Röntgenkristallographie, oft nicht direkt zur Untersuchung kurzlebiger Proteinzustände angewendet werden können“, so das Team erklärt in ihrem Artikel .
Die neueste DNA-Synthesetechnologie – rund 40 Jahre Entwicklungszeit – ist in der Lage, maßgeschneiderte Nanostrukturen unterschiedlicher Länge und Flexibilität herzustellen, die für die Erfüllung ihrer erforderlichen Funktionen optimiert sind.
Ein Vorteil dieser superkleinen DNA-Antenne gegenüber anderen Analysetechniken besteht darin, dass sie sehr kurzlebige Proteinzustände erfassen kann. Das bedeutet laut den Forschern, dass es hier zahlreiche potenzielle Anwendungen gibt, sowohl in der Biochemie als auch in der Nanotechnologie im Allgemeinen.
„Wir konnten zum Beispiel erstmals in Echtzeit die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase mit einer Vielzahl biologischer Moleküle und Medikamente nachweisen.“ sagt der Chemiker Scott Harroun , von UdeM. „Dieses Enzym ist an vielen Krankheiten beteiligt, darunter verschiedenen Krebsarten und Darmentzündungen.“
Während das Team die „Universalität“ seines Designs erforschte, testete das Team seine Antenne erfolgreich mit drei verschiedenen Modellproteinen – Streptavidin, alkalische Phosphatase und Protein G –, aber es wird möglicherweise noch viel mehr kommen, und einer der Vorteile der neuen Antenne ist ihre Vielseitigkeit .
„Nanoantennen können verwendet werden, um bestimmte biomolekulare Mechanismen in Echtzeit zu überwachen, einschließlich kleiner und großer Konformationsänderungen – im Prinzip jedes Ereignis, das die Fluoreszenzemission des Farbstoffs beeinflussen kann“, so das Team schreibt in ihrer Arbeit .
DNA wird immer mehr bekannter als Baustein, den wir synthetisieren und manipulieren können, um Nanostrukturen wie die Antenne in dieser Studie zu erzeugen. Die DNA-Chemie ist relativ einfach zu programmieren und nach der Programmierung einfach zu verwenden.
Die Forscher wollen nun ein kommerzielles Startup gründen, damit die Nanoantennentechnologie praktisch verpackt und von anderen genutzt werden kann, seien es Pharmaunternehmen oder andere Forschungsteams.
„Was uns vielleicht am meisten begeistert, ist die Erkenntnis, dass viele Labore auf der ganzen Welt, die mit einem herkömmlichen Spektrofluorometer ausgestattet sind, diese Nanoantennen problemlos zur Untersuchung ihres Lieblingsproteins einsetzen könnten, etwa um neue Medikamente zu identifizieren oder neue Nanotechnologien zu entwickeln.“ sagt Vallée-Bélisle .
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturmethoden .