Biofysikere konstruerer komplekse hybridstrukturer ved hjælp af DNA og proteiner

Florian Praetorius og prof. Hendrik Dietz fra det tekniske universitet i München (TUM) har udviklet en ny metode, der kan bruges til at konstruere brugerdefinerede hybridstrukturer ved hjælp af DNA og proteiner. Metoden åbner nye muligheder for grundforskning inden for cellebiologi og applikationer inden for bioteknologi og medicin.

Desoxyribonukleinsyre, bedre kendt ved sin forkortelse DNA, bærer vores genetiske oplysninger. Men til professor Hendrik Dietz og Florian Praetorius fra TUM, DNA er også et glimrende byggemateriale til nanostrukturer. Foldning af DNA for at skabe tredimensionelle former ved hjælp af en teknik kendt som "DNA origami" er en længe etableret metode i denne sammenhæng.

Men der er grænser for denne tilgang, forklarer Dietz. "Byggeriet" foregår altid uden for biologiske systemer, og mange komponenter skal syntetiseres kemisk. "Oprettelse af brugerdefinerede strukturer i størrelser i størrelsesordenen 10 til 100 nanometer inde i en celle er stadig en stor udfordring, "tilføjer han. Deres nyudviklede teknik giver nu forskerne mulighed for at bruge proteiner til at folde dobbeltstrenget DNA til ønskede tredimensionelle former. Her, både DNA'et og de nødvendige proteiner kan kodes genetisk og produceres inde i celler.

Proteiner fungerer som hæfteklammer

Designede "hæfteproteiner" baseret på TAL -effektorer er nøglen til metoden. TAL -effektorer produceres i naturen af ​​visse bakterier, der inficerer planter og er i stand til at binde til specifikke sekvenser i plante -DNA, derved neutralisere plantens forsvarsmekanismer. "Vi har konstrueret varianter af TAL -proteiner, der samtidigt genkender to brugerdefinerede målsekvenser på forskellige steder i DNA'et og derefter grundlæggende hæfter dem sammen, "siger Dietz." Det var netop den egenskab, vi havde brug for:proteiner, der kan hæfte DNA sammen. "

Den anden komponent i systemet er en DNA -dobbeltstreng, der indeholder flere bindingssekvenser, der kan genkendes og kobles af et sæt forskellige hæfteproteiner. "I det enkleste tilfælde kan en sløjfe oprettes ved at binde to punkter til hinanden, "Forklarer Praetorius." Når flere af disse bindingssteder findes i DNA'et, det er muligt at opbygge mere komplekse former. "Et væsentligt aspekt af forskerens arbejde var derfor at fastsætte et sæt regler for selv at arrangere hæfteproteinerne og hvordan man fordeler bindingssekvenserne på DNA -dobbeltstrengen for at skabe den ønskede form.

Nye værktøjer til grundforskning

Hvad mere er, hæfteproteinerne tjener som ankerpunkter for yderligere proteiner:En metode, der omtales som genetisk fusion, kan bruges til at vedhæfte ethvert ønsket funktionelt proteindomæne. Hybridstrukturer fremstillet af DNA og proteiner fungerer derefter som en tredimensionel ramme, som kan sætte de andre proteindomæner i en bestemt rumlig position. Alle byggestenene til DNA -proteinhybridstrukturer kan produceres af cellen selv og derefter samles selvstændigt. Forskerne var i stand til at producere hybriderne i miljøer, der lignede celler ud fra genetisk information. "Der er en ret stor sandsynlighed for, at dette også vil fungere i faktiske celler, "siger Dietz.

Den nye metode baner vejen for at kontrollere det rumlige arrangement af molekyler i levende systemer, som gør det muligt at undersøge grundlæggende processer. For eksempel, det antages, at genomets rumlige arrangement har en betydelig indflydelse på, hvilke gener der kan læses, og hvor effektiv læseprocessen er. Den forsætlige oprettelse af sløjfer ved hjælp af TAL-DNA-hybridstrukturer i genomisk DNA kan give et redskab til at undersøge sådanne processer.

Det ville også være muligt geometrisk at placere en række proteiner inden for og uden for cellen på brugerdefinerede måder for at undersøge indflydelsen af ​​rumlig nærhed for eksempel på informationsbehandling i cellen. Den rumlige nærhed af visse enzymer kan også gøre processer inden for bioteknologi mere effektive. Endelig, det ville også kunne tænkes at anvende protein-DNA-hybridstrukturer for eksempel for bedre at stimulere cellernes immunrespons, som kan afhænge af det præcise geometriske arrangement af flere antigener.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskrift Videnskab i dag.