Lebendige Bausteine

Zellen sind dynamisch aufgebaut: Ihre Bausteine befinden sich in einem stetigen Wandel und werden kontinuierlich ausgetauscht. Dadurch können sich die Strukturen leicht an veränderte Situationen anpassen und durch Umlagerung der Bausteine auf Reize schneller reagieren, sich selbstständig erneuern oder sich nur bei Bedarf ausbilden. Die Mikrotubuli, eine aus Proteinenfasern aufgebaute Gerüststruktur im Zytoplasma der Zellen von Algen, Pflanzen, Pilzen, Tieren und Menschen, sind so ein dynamisches Geflecht. Aufgrund ihrer selbstorganisierenden Struktur bauen sich diese Fasern ständig zeitgleich auf und ab, wodurch sie die Zellen aktiv bei komplexen Aufgaben wie der Zellteilung oder Fortbewegung unterstützen. Die Fasern benötigen Energie, um diese dynamischen Strukturen zu bilden und aufrecht zu halten. Prof. Dr. Andreas Walther und Dr. Laura Heinen vom Institut für Makromolekulare Chemie und vom Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT) der Universität Freiburg ist es erstmalig gelungen, in einem künstlichen chemischen System die Dynamik solcher dissipativen, also energieverbrauchenden, Strukturen auf Basis von DNA-Bausteinen zu programmieren. Ihr Ergebnis präsentieren die Forschenden in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science Advances.

Die Schwierigkeit einer programmierbaren Strukturdynamik in synthetischen dissipativen Systemen liegt in der Synchronisation der energetischen De-und Aktivierung mit dem strukturellen Ab- sowie Einbau der Bausteine. Die Freiburger Forschenden konnten das Problem lösen, indem sie eine energiegetriebene, dynamische kovalente Bindung, die für den festen Zusammenhalt von Atomen verantwortlich ist, in das Rückgrat der DNA-Stränge eingesetzt haben. Die kovalente Bindung wird dabei durch die katalytische Aktivität des Enzyms T4-DNA-Ligase geschlossen und gleichzeitig von einem Restriktionsenzym, das DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneiden kann, an der gleichen Stelle wieder gespalten. Dieses neugebaute System ist reversibel und resultiert direkt in einer strukturellen Dynamik, wodurch es sich von den bisherigen künstlich erzeugten dissipativen Strukturen unterscheidet.

Die Studie, die im Rahmen des ERC Starting Grant „TimeProSAMat“ von Walther entstand, zeigt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern anhand der dynamischen Herstellung eines Polymers von DNA-Fragmenten wie die Lebenszeit, die Austauschfrequenz, oder der relative Bindungsanteil der DNA-Polymere in Abhängigkeit des Energielieferanten Adenosintriphosphat und der Enzymkonzentrationen zu kontrollieren sind. Die Freiburger Forschenden können diese dynamisch-stationären Zustände über mehrere Tage hinweg aufrechterhalten. Die chemischen Modifikationsmöglichkeiten von DNA als Konstruktionsmaterial sind vielseitig und zudem sind zahlreiche Restriktionsenzyme vorhanden, erklärt Heinen: „Dadurch ermöglicht unser Konzept weitreichenden Zugang zu neuartigen Funktionsmaterialien, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts agieren. Und zwar mit bisher einzigartigen Programmierungsmöglichkeiten ihrer dynamischen Struktureigenschaften.“

Originalpublikation:
Heinen, L., Walther, A. (2019): Programmable dynamic steady states in ATP-driven nonequilibrium DNA systems. In: Science Advances. Vol. 5, Nr. 7. DOI: 10.1126/sciadv.aaw0590