Einzelmoleküluntersuchungen auf DNA-Origami-Substraten

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Adrian Keller
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 274611139

Die DNA-Origami-Technik ermöglicht die schnelle Assemblierung von DNA-Nanostrukturen beliebiger Form mit hoher Ausbeute und einem außerordentlich Grad an räumlicher und struktureller Kontrolle. Diese Nanostrukturen können als Substrate für die präzise Anordnung von einzelnen Molekülen in wohldefinierten Arrangements verwendet werden, was die Visualisierung chemischer und biochemischer Reaktionen auf Einzelmolekülniveau mittels Rasterkraftmikroskopie erlaubt. Dieser Antrag hat zum Ziel, das große Potential der DNA-Origami-Technik weiter auszunutzen und eine vielseitige Plattform für quantitative Einzelmoleküluntersuchungen von medizinisch relevanten photochemischen und Proteinbindungsreaktionen in komplexen Systemen zu entwickeln.Beim ersten Teil des Antrags liegt der Fokus auf der Bildung von Cyclobutan-Pyrimidin-Dimeren (CPDs), welche die molekulare Ursache der UVA-induzierten Hautkarzinogenese darstellen. Erste Studien konnten qualitativ zeigen, dass die UV-induzierte CPD-Bildung von der DNA-Topologie beeinflusst wird, was zu einer charakteristischen Periodizität im Auftreten von CPDs in nukleosomaler DNA führt. Systematische Untersuchungen sind jedoch nicht verfügbar. Deshalb soll der Einfluss der Topologie auf die UVA-induzierte CPD-Bildung hier nun quantitativ untersucht werden. Dazu werden DNA-Origami-Substrate mit TT-haltigen Haarnadelstrukturen und Doppelsträngen verschiedener Krümmung dekoriert werden, als auch mit frei aufgehängten DNA-Strängen die verschiedene Grade an Spannung aufweisen.Der zweite Teil des Antrags zielt darauf ab, eine DNA-Origami-basierte Strategie für das quantitative Screening kleiner proteinbindender Moleküle zu etablieren. In der modernen Pharmaforschung werden zunehmend DNA-codierte chemische Bibliotheken (DCBs) eingesetzt um potente Liganden gegen Zielproteine zu identifizieren. Als fragmentbasierter Screening-Ansatz ermöglichen selbstassemblierte DCBs die Untersuchung von Bidentat-Effekten durch die Bindung von zwei verschiedenen Pharmakophoren an dasselbe Protein. DNA-Origami-Substrate können andererseits mit multiplen Pharmakophoren in beliebigen und zugleich definierten Geometrien dekoriert werden, was die Quantifizierung synergetischer Effekte in der Bindung der Zielproteine in Abhängigkeit vom Abstand und der Anordnung der Liganden ermöglicht. Darüber hinaus stellt diese Strategie einen markerlosen Bindungsassay zur Verfügung, der die negativen Effekte vermeidet welche aus der Modifikation und Immobilisierung der Proteine in DCB-Selektionsexperimenten resultieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen