Cryo-Elektronenmikroskopie erlaubt tiefe Einblicke in 3D-DNA-Objekte

Nachrichten aus dem Physik-Department - 2012-12-05

Durch Cryo-Elektronenmikroskopie (EM) bestimmte Struktur

eines 3D-DNA-Origami-Objektes [1]

Mit der Natur als Vorbild entwickeln Wissenschaftler seit einigen Jahren Nanoobjekte auf DNA Basis, die beispielsweise die Funktion von Enzymen nachahmen sollen. Künstliche DNA-Stränge dienen als Baumaterial dieser Konstrukte, deren Struktur bisher nicht leicht zu untersuchen war. Einem Team um den Wissenschaftler Hendrik Dietz (NIM und TU München) ist es nun gelungen, ein besonders komplexes Objekt erstmalig mit Hilfe der Cryo-Elektronenmikroskopie genauestens zu analysieren.

Im Laufe der Evolution hat die Natur hochentwickelte Nanomaschinen gebildet, zu denen die große Gruppe der Enzyme zählt. Diese oft sehr komplexen Moleküle setzen sich aus Aminosäure-Ketten zusammen und katalysieren in jedem Lebewesen unzählige biochemische Reaktionen. Einige Enzyme lassen sich aus Organismen isolieren und zum Beispiel in Waschmitteln, in der Käseherstellung oder beim Bierbrauen einsetzen.

Wissenschaftler arbeiten daran, künstliche Nanomaschinen zu entwickeln, z. B. für Anwendungen in der Chemie oder Medizin. Der Aufbau aus Aminosäuren birgt viele Hindernisse, so dass Wissenschaftler auf die Idee kamen, die Nanomaschinen aus DNA zu konstruieren. Dabei setzen sie die DNA nicht in ihrer Funktion als Erbgut ein, sondern nutzen die Stränge lediglich als Baumaterial. Seit rund 20 Jahren wird intensiv daran gearbeitet, aus DNA-Strängen immer komplexere Strukturen aufzubauen.

Dem TUM-Wissenschaftler Prof. Hendrik Dietz und seinem Team sind nun wichtige Schritte auf dem Weg zu künstlichen Nanomaschinen gelungen. Gemeinsam mit Kollegen des MRC Laboratory for Molecular Biology in Cambridge entwickelten die Biophysiker zunächst eine komplexe Struktur (siehe Abbildung) mit rund 50 Nanometer Durchmesser, die in etwa doppelt so groß wie ein bakterielles Ribosom ist. Anschließend synthetisierten sie das aus 165 DNA-Strängen bestehende 3D-Gebilde im Labor. In einem letzten Schritt gelang es ihnen, das Produkt mittels Cryo-Elektronenmikroskopie bis ins kleinste Detail zu analysieren. Dazu wurden die Partikel in amorphem Eis schockgefrostet, um ihre native Struktur nicht zu beschädigen.

Die Ergebnisse von Hendrik Dietz und seinen Kollegen sind ein wichtiger Schritt hin zu klar definierten, komplexen DNA-basierten Nanostrukturen. Bisher gab es keine hochauflösende Strukturinformation für diskrete DNA-basierte Nanostrukturen, der Grad an erreichbarer Positioniergenauigkeit war somit unklar. Wie weit die Einsatzmöglichkeiten künstlicher DNA Nanostrukturen reichen, zeigt eine von Hendrik Dietz und NIM Kollege Friedrich Simmel und ihren Mitarbeitern vor kurzem in Science erschienene Arbeit: synthetische Membran-Kanäle auf DNA-Basis (Science 16 November 2012).

Das hier verlinkte Video zeigt in einer Animation den Vergleich der berechneten und gemessenen Struktur des komplexen 3D-Gebildes.

Publikation:

From the Cover: Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object

Xiao-chen Bai, Thomas G. Martin, Sjors H. W. Scheres, and Hendrik Dietz

PNAS 109 (49) 20012-20017 (2012)

http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1215713109

Kontakt:

Prof. Hendrik Dietz

Technische Universität München

Physik-Department

Walter Schottky Institute / ZNN

Am Coulombwall 4a

85748 Garching, Germany

Tel: +49 89 289 11615

E-mail: dietz@tum.de

Web: http://bionano.physik.tu-muenchen.de/

Hier gibt es einen Link zum Video.

[1]

Thomas Martin / Dietz Lab / TUM

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