Ein molekulares Schere-Stein-Papier Spiel und die Bildung raumzeitlicher Muster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die DNA-Toolbox ist eine Methode, zur Erzeugung biochemischer Reaktionsnetzwerke. Sie ist isothermal, modular aufgebaut und benutzt drei Enzyme die DNA kopieren und wieder abbauen. Diese Enzyme sind eine Polymerase, eine Nickase und eine Exonuklease. Als Bausteine und Energielieferant werden die Nukleotide dATP, dTTP, dCTP und dGTP verwendet. Wie das Reaktionsnetzwerk genau aussieht wird durch das Design von DNA-Templatmolekülen festgelegt. Es gibt unter anderem Template für autokatalytische Replikation von DNA-Spezies oder für die Produktion von Inhibitoren, die diese Replikation verhindern. Mit der DNA-Toolbox wurden bereits verschiedene Reaktionsnetzwerke erzeugt, welche etwa Bistabilität oder Oszillationen zeigten. Auch Musterbildung in ein oder zwei Dimensionen konnte gezeigt werden. Ein großes Problem der DNA-Toolbox ist das Auftreten eines Parasiten, einer unspezifischen, autokatalytischen Reaktion. Parasiten nutzen ebenfalls die Enzyme in der Reaktionslösung, welche nun nicht mehr uneingeschränkt für die DNA-Toolbox zur Verfügung stehen. Durch die Verwendung einer speziellen Nickase konnte ich dieses Problem beseitigen. Die neue Nickase ermöglicht es, durch entsprechendes Sequenz-Design der Templatmoleküle, die Module der DNA-Toolbox ohne dATP ablaufen zu lassen. Da Parasiten alle vier Nukleotide benötigen, können sie weder entstehen noch sich replizieren. Das autokatalytsche Modul der DNA-Toolbox basiert auf dem exponential amplification reaction-Verfahren (EXPAR). Dieses kann benutzt werden, um DNA zu detektieren. Durch die parasitenfreie Variante wird dies wesentlich erleichtert. Das könnte es ermöglichen die Methode auch außerhalb von Labors zum Einsatz zu bringen. Auch die Gefahr ein Labor mit Parasiten zu kontaminieren entfällt. Neben den Experimenten im Thermocycler nutzte ich die neue Methode auch für eindimensionale Langzeitexperimente in einer Glasskapillare. Dazu wurde ein Repressor-DNA-Molekül benutzt, welches die autokataytische Replikation unterdrücken kann und zu einem bistabilen Verhalten führt. In den Experimenten wurde ein Repressor-Gradient erzeugt, sodass die Replikation nur auf einer Seite ablaufen konnte. Das dadurch entstehende Muster konnte über Tage hinweg aufrechterhalten werden. Um den Gradienten zu stabilisieren wurde dabei lineares Polyacrylamid an die Repressoren angehängt, was zu einer starken Verringerung ihrer Diffusionskonstante führte. Dadurch konnten die Muster über mehrere Tage aufrecht erhalten werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
(2019) rEXPAR: An Isothermal Amplification Scheme That Is Robust to Autocatalytic Parasites. Biochemistry
Urtel, Georg; Van Der Hofstadt, Marc; Galas, Jean-Christophe & Estevez-Torres, André
-
(2019) rEXPAR: an isothermal amplification scheme that is robust to autocatalytic parasites. bioRxiv
Urtel, Georg; Galas, Jean-Christophe & Estevez-Torres, André
