DNA-nanorørringe:Forskerhold udvikler vigtig byggesten til kunstige celler

Under celledeling dannes en ring omkring celleækvator, som trækker sig sammen for at dele cellen i to datterceller. Sammen med forskere fra Heidelberg, Dresden, Tübingen og Harvard er det lykkedes professor Jan Kierfeld og Lukas Weise fra Institut for Fysik ved TU Dortmund Universitet for første gang at syntetisere en sådan kontraktil ring ved hjælp af DNA-nanoteknologi og afdække dens kontraktionsmekanisme. . Resultaterne er blevet offentliggjort i Nature Communications .

Inden for syntetisk biologi forsøger forskere at genskabe afgørende livsmekanismer in vitro, såsom celledeling. Målet er at kunne syntetisere minimale celler. Forskerholdet ledet af professor Kerstin Göpfrich fra Heidelberg Universitet har nu syntetisk reproduceret kontraktile ringe til celledeling ved hjælp af polymerringe sammensat af DNA-nanorør.

Dannelsen af ​​en ring, der trækker sammen og adskiller delende celler, er et vigtigt skridt i naturlig celledeling. I naturen opnås dette af et maskineri af proteiner:motoriske proteiner drevet af kemisk energi fra ATP-hydrolyse trækker en ring af filamenter af proteinet actin sammen. Adenosintrifosfat, eller ATP, er et molekyle, der forekommer i alle levende celler og leverer energi til adskillige cellulære processer.

Sammentrækningsmekanismen for DNA-ringene udviklet af forskerne er ikke længere afhængig af motorproteiner drevet af ATP-hydrolyse. I stedet kan molekylær tiltrækning mellem ringsegmenter udløse sammentrækningen af ​​polymerringene.

Denne molekylære tiltrækning kan induceres på to måder:enten ved at tværbinde molekyler med to "klæbrige" ender, der kan forbinde to polymersegmenter, eller ved hjælp af udtømningsinteraktionen, hvor polymererne er omgivet af "crowder" molekyler, der presser segmenterne sammen . Denne mekanisme bruger ingen kemisk energi, hvilket betyder, at ingen energikilde skal inkorporeres i den syntetiske celle for at mekanismen kan fungere.

Professor Jan Kierfeld, professor i teoretisk fysik, og doktorgradsforsker Lukas Weise arbejder inden for biologisk fysik. Som en del af deres forskningsarbejde har de udviklet en teoretisk beskrivelse og en molekylær dynamik-simulering af kontraktionsmekanismen, som matcher deres forskningspartneres eksperimentelle resultater.

Til dette formål udtænkte de specielle metoder til at simulere DNA-ringene i en realistisk skala. Teori og simulering gør det muligt at forklare kvantitativt, hvordan polymerringene dannes og trækker sig sammen.

"Det betyder, at vi ikke kun er i stand til at forudsige, at en øget koncentration af 'crowder'-molekyler vil gøre ringen mindre, men også med hvor meget mindre," siger professor Kierfeld. På denne måde er det muligt at bestemme, hvordan diameteren af ​​DNA-ringen kan kontrolleres præcist, hvilket er meget vigtigt for fremtidige anvendelser af kontraktile ringe i syntetisk biologi.

Mekanismer for celledeling er et vigtigt skridt hen imod en kunstig celle, hvis konstruktion letter en bedre forståelse af de funktionelle mekanismer i naturlige celler og dermed af livets grundlag.

Flere oplysninger: Maja Illig et al., Triggered contraction of self-assembled micron-scale DNA nano tube-ringe, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46339-z

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af TU Dortmund University