Wie gedrängte Moleküle synthetische DNA-Tröpfchen bilden

Kondensationstemperaturen mit Polymeren erhöhen

Im Inneren lebender Zellen sammeln sich Proteine und Nukleinsäuren in dichten Kompartimenten, den sogenannten biomolekularen Kondensaten. Diese Kompartimente entstehen durch Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, doch ihre Nachbildung in reinen Laborlösungen erfordert oft Bedingungen, die sich vom dicht gedrängten Zellinneren unterscheiden. Um diese biochemische Innovation voranzutreiben, entwarf eine Forschungsgruppe unter Leitung von Professor Masahiro Takinoue am Institute of Science Tokyo synthetische Y-förmige verzweigte Strukturen namens DNA-Nanostars, wie Phys.org berichtet.

Die Nanostars verbinden sich über kurze komplementäre Sequenzen, sogenannte Sticky Ends. Beim Abkühlen von 85 °C ohne Zusätze kondensierten die Nanostars erst unterhalb von 63 °C zu Tröpfchen. Die Zugabe von Crowding-Agenzien veränderte diese Schwelle. Eine Konzentration von 10 % Polyethylenglykol (PEG) ermöglichte die Bildung von Tröpfchen bei 76 °C, während Dextran und Ficoll die Bildungstemperaturen auf 65 °C bzw. 67 °C erhöhten. Hochmolekulares PEG mit 7,5 kDa erwies sich als wirksamstes Agens. PEG konnte die Kondensation nicht allein auslösen: Bei Tests mit Nanostars ohne Sticky Ends bildeten sich keine Tröpfchen.

„Diese Ergebnisse zeigen, dass macromolecular crowding nicht nur ein Merkmal der zellulären Umgebung ist, sondern auch als leistungsfähiger Designparameter für die Konstruktion künstlicher DNA-Kondensate dient.“

— Masahiro Takinoue, Professor am Institute of Science Tokyo

Tröpfchen gruppieren, ohne sie zu verschmelzen

Die Forscher untersuchten außerdem, ob sich durch Crowding steuern lässt, wie sich verschiedene Tröpfchen anordnen. Wie in der Fachzeitschrift JACS Au beschrieben und von Phys.org berichtet, stellte das Team zwei verschiedene Sätze von Nanostars her, deren Sticky Ends nicht aneinander binden konnten. Unter normalen Bedingungen bildeten diese Populationen getrennte Tröpfchen, die voneinander getrennt blieben und nicht verschmolzen.

Die Zugabe von PEG veränderte ihr räumliches Verhalten. Der umgebende osmotische Druck brachte die ungleichen Tröpfchen in direkten Kontakt und verhinderte zugleich, dass sie zu einer einzigen flüssigen Phase verschmolzen. Durch Anpassung der PEG-Konzentration, des Verhältnisses der Nanostars und der Salzkonzentration in der Lösung erzeugte das Team alternierende Netzwerke. In weiteren Tests ordneten die Forscher bis zu drei verschiedene Typen von DNA-Nanostars zu geordneten Mustern an.

Von molekularen Kondensaten zu programmierbaren Maschinen

Die Studie wurde mit dem Doktoranden Naoki C. Yoshida von Science Tokyo, Dr. Mayu Shono von der The University of Tokyo und Professor Kenichi Yoshikawa von der Doshisha University durchgeführt. In ihrer veröffentlichten Arbeit beschreiben die Autoren Crowding nicht nur als Hintergrundrauschen in einer Zelle, sondern als direkten Steuerparameter für die synthetische Biologie.

Wissenschaftliche Arbeiten über grundlegende Chemie führen zwar nicht immer zu einem kommerziellen Patent oder unmittelbaren Anmeldungen von geistigem Eigentum, doch die durch diese synthetische Erfindung begründeten Prinzipien könnten praktische Hardware anleiten. Takinoue merkte an, dass die Methode Designregeln für die Entwicklung künstlicher Zellgewebe, molekularer Kommunikationsnetzwerke, molekularer Rechensysteme und programmierbarer Mikromaschinen liefert, die durch gelenkte Selbstorganisation funktionieren.

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