DNA origami
Building with genetic material
It sounds like paper handicraft, but it is in fact a well-established term in biochemistry: origami – just not with colourful paper squares, but rather with DNA, our genetic material. Scientists at Paderborn University are using DNA strands to build complex nanostructures that will ultimately be employed in biomedicine or help with surface patterning.
?Beim DNA-Origami werden DNA-Str?nge gezielt in beliebige dreidimensionale Strukturen gefaltet. Darauf k?nnen Wirkstoffe ?u?erst pr?zise angeordnet werden. Mit dieser Methode wollen wir neuartige Wirkstofftransportsysteme gestalten.”
Background: DNA origami vs genetic engineering
‘Our research group is focusing on DNA origami – a relatively recent field of research. In doing so, we are seeking to investigate potential applications for this technique in the fields of biomedicine, biophysics, chemical biology and surface patterning’, explains Dr. Adrian Keller, head of the ‘Nanobiomaterials’ research group at Paderborn University’s Department of Chemistry. The research of Keller and his team falls under nanoscience, i.e. the investigation of atoms, molecules and structures in the nanometre range. To provide an idea of scale, one nanometre is one millionth of a millimetre. Although DNA is the focus of their work, this is not genetic engineering. Genetic engineers generally work on the isolation, analysis, targeted modification and transfer of an organism’s genes. The Paderborn researchers, on the other hand, are not modifying genes, but rather using DNA to build transport containers, lattice structures and other shapes.
Adrian Keller wins research award of Paderborn University 2022 for the work on DNA origami
Pressemitteilungen zum Thema
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Gut zu wissen: DNA
Die Abkürzung DNA steht für die englische Bezeichnung von Desoxyribonukleins?ure: deoxyribonucleic acid. Darin gespeichert sind die Erbinformationen von Lebewesen und DNA-Viren. Die DNA selbst besteht aus Phosphaten, Zucker und den vier Basen Adenin und Guanin sowie Thymin und Cytosin. Diese Basen sind über Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden. Dabei passen jeweils nur zwei Basen zueinander: Adenin und Thymin bilden ein Paar, das andere sind Guanin und Cytosin. Durch diese Basenpaarung bildet die DNA eine Doppelhelix-Struktur aus, in der sich zwei Str?nge spiralf?rmig umeinanderwinden. Bei der Herstellung von DNA-Origamis werden nun mehrere einzelne Str?nge über diese Basenpaarung so miteinander verknüpft, dass sich die entstehende Doppelhelix in die gewünschte Form faltet. Die Str?nge werden also quasi miteinander ?verwoben“ wie die F?den in einem Stück Stoff.
Im La??bor: Um???set??zen des Bau??plans
Mit einer speziellen Software prüfen die Paderborner Forschenden zun?chst am Computer, wie der Bauplan für ihre Struktur konkret aussehen kann. Anschlie?end bestellen sie bei spezialisierten Laboren die ben?tigten synthetischen DNA-Str?nge (für den Aufbau der DNA siehe Infobox). Keller und sein Team pr?parieren diese Str?nge dann im Labor. Für das Origami gibt es immer einen l?ngeren Gerüststrang und mehrere kurze Helferstr?nge: Die kurzen Str?nge sind so ausgew?hlt, dass sie jeweils an definierten Stellen des langen Stranges binden und diesen so dazu bringen, sich zu falten. Damit sich die sogenannten Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den zueinanderpassenden Basen ausbilden k?nnen, erhitzen die Forschenden die DNA erst auf 80 Grad Celsius und kühlen die Mischung dann kontrolliert auf Raumtemperatur herab. Die gewünschten Formen – es k?nnen Dreiecke, Vierecke oder auch komplexere Strukturen sein – bilden sich dadurch im Prinzip von selbst: Die Wissenschaftler*innen sprechen von der Selbstassemblierung der DNA. Die Formen k?nnen in einer Gr??e von wenigen Nanometern hin bis zu hunderten Nanometern vorliegen. Anschlie?end entfernen die Wissenschaftler*innen die überschüssige DNA, die nicht in die Struktur eingebaut wurde.
DNA origami are initially contained in a solution, but under some conditions can also spontaneously settle on surfaces. Researchers then examine them with a high-speed atomic force microscope to see how the DNA structures are arranged. ‘In an experiment where we were making triangular DNA structures, we were able to identify a hexagonal arrangement. The triangles connected with each other almost perfectly. If we add a few squares, we can see how this disrupts the arrangement of the triangles’, Keller explains.
View publications: https://doi.org/10.1007/s12274-020-2985-4 and https://doi.org/10.1039/d0nr01252a
Von der Grund?la?gen?for?schung in die Anwendung
Es gibt verschiedene Anwendungsbereiche, in denen DNA-Origamis zum Einsatz kommen k?nnten. Dadurch, dass die DNA-Strukturen an spezifische Zellen binden k?nnen, sind sie in der Biomedizin denkbar, um Enzyme, Fluoreszenzfarbstoffe (die beispielsweise in der Diagnostik eingesetzt werden) oder Chemotherapeutika zu transportieren. Pharmazeutische Wirkstoffe ben?tigen h?ufig Transportsysteme, in denen sie sicher verpackt an den Ort im K?rper gelangen, an dem sie wirken sollen – und nicht schon früher, denn je nach Substanz kann das sch?dlich sein. Solche Drug-Delivery-Systeme sind sozusagen Wirkstoff-Transportboxen. In Hinblick darauf untersuchen die Wissenschaftler*innen an der Universit?t Paderborn ganz konkret, wie die Origamistrukturen effizient mit dem Wirkstoff Methylenblau beladen werden k?nnen, welcher in der photodynamischen Therapie zum Einsatz kommt. Mit einem Infrarot-Nahfeldmikroskop, das auf 50 Nanometer genau ist, beobachten sie zum Beispiel, wie der Wirkstoff an den DNA-Origamis andockt.
Weiterhin bietet die DNA-Origami-Technologie die einzigartige M?glichkeit, funktionelle Einheiten und insbesondere einzelne Biomoleküle wie Proteine und Nukleins?uren hochpr?zise anzuordnen. So k?nnen exakte Anordnungen hergestellt werden, die als Plattformen für Studien an Einzelmolekülen genutzt werden k?nnen. Mit hochaufl?senden Rasterkraftmikroskopen zur Visualisierung einzelner Proteine in solchen DNA-Origami-basierten Anordnungen k?nnen dann verschiedene Ereignisse wie etwa die Bildung oder der Zerfall von Proteinkomplexen unterschieden werden. Die Paderborner Nanowissenschaftler*innen wenden diese Technik derzeit bei der Untersuchung von Protein-Wirkstoff-Wechselwirkungen und der Entdeckung von neuen Protein-Hemmstoffen an.
In einem auf diesen Themen aufbauenden Forschungsvorhaben werden die Forschenden auch antimikrobielle Moleküle kontrolliert auf DNA-Origamis anordnen, um deren Wirksamkeit gegenüber antibiotikaresistenten Keimen zu erh?hen. Das Vorhaben wird durch die Verleihung des Forschungspreises der Universit?t Paderborn an Keller gef?rdert.
Publikationen
The challenge: ensuring stability of newly created DNA structures
However, there are still a few challenges to overcome before DNA origami can actually be put to practical use. One of these is the stability of origami nanostructures. Under physiological conditions, i.e. as would be the case in the body, the folded DNA is broken down uncontrollably. Degradation is a desirable process in some cases (such as in drug delivery systems, where drugs need to be released in specific locations), but if the transport box opens too early, this can have fatal consequences. The researchers are therefore examining how different DNA origami nanostructures behave under the relevant environmental conditions found in the human body. ‘In our studies, we discovered that low magnesium concentrations and the presence of DNA-degrading enzymes are responsible for the destruction of DNA nanostructures’, Keller explains. Paderborn’s researchers have examined this in recent years. ‘We can now show that degradation in physiological media can be controlled using a specific design of the nanostructures. This means that we can tailor the stability of structures to a desired application in a targeted way.’ Keller is also seeking to use such designs to enable complex degradation profiles and thus the tailored release of drugs.
View publication: https://doi.org/10.1002/smll.202107393
Production: Gesa Seidel, Press, Communications and Marketing Office
