Geometrically-controlled self-assembly of synthetic molecular capsids

• Applicant: Professor Dr. Hendrik Dietz
• Subject Area: Biophysics ; Structural Biology
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 422408755

• Final Report Year: 2024

Final Report Abstract

Dieses Projekt hatte das Ziel, künstliche molekulare Kapside mithilfe programmierbarer DNA-Origami-Techniken zu entwickeln. Dabei wurden die geometrischen Prinzipien der viralen Kapsid-Assemblierung als Vorlage genutzt. Das Projekt konzentrierte sich auf die Gestaltung und den Aufbau von icosaedrischen Hüllen unterschiedlicher Größen und Symmetrien und es wurden folgende zentrale Ergebnisse und Leistungen erzielt: Design und Assemblierung von Ikosaedrischen Kapsiden: Mithilfe von DNA-Origami wurden erfolgreich icosaedrische Kapside auf Basis von Symmetrieprinzipien und Quasi- Äquivalenz nachgebaut, ähnlich wie bei natürlichen viralen Kapsiden. Dies umfasste die experimentelle Realisierung von Hüllen mit T=1 (60 identische Untereinheiten) bis hin zu T=9 (180 Untereinheiten), was die erste nicht-proteinbasierte Kapsid-Konstruktion dieser Art darstellt. Durch Kryo-EM und molekulardynamische Simulationen konnte das Design verfeinert und die korrekte Faltung und Assemblierung der DNA-Origami-Dreiecke sichergestellt werden. Strukturelle Untersuchung und Validierung: Detaillierte strukturelle Analysen mittels Kryo- EM bestätigten den erfolgreichen Aufbau verschiedener DNA-Origami-Kapside, darunter T=1-, T=3-, T=4- und T=9-Schalen. Jede Schale zeigte die erwarteten geometrischen Eigenschaften, und der iterative Designprozess erlaubte eine präzise Kontrolle über die Größe und Symmetrie der Kapside. Kinetische Analyse und Optimierung: Im Projekt wurde die Kinetik der Kapsid- Assemblierung bei verschiedenen MgCl₂-Konzentrationen untersucht. Dabei wurden optimale Bedingungen identifiziert, die die Ausbeute maximierten und gleichzeitig Aggregationen oder Fehlassemblierungen vermieden. Die Assemblierung folgte ähnlichen Prinzipien wie bei viralen Kapsiden. Kapsid-Assemblierung auf Viruspartikeln: Es wurde erfolgreich gezeigt, dass DNA- Origami-Kapside um Hepatitis-B-Kernpartikel assembliert werden können, wobei Antikörper zur Initiierung der Assemblierung genutzt wurden. Dieser matrixgestützte Ansatz bietet neue Möglichkeiten für therapeutische Anwendungen durch das Nachahmen viraler Partikel. Stabilisierungsstrategien: Um die Stabilität der DNA-Origami-Kapside unter physiologischen Bedingungen zu verbessern, wurden UV-Vernetzung und PEGylierung eingesetzt. Dies gewährleistete, dass die montierten Strukturen intakt blieben und vor DNasen geschützt waren. Anwendungen: In den späteren Phasen des Projekts wurden verschiedene Anwendungen untersucht. So wurden die DNA-Origami-Hüllen mit Heparansulfat modifiziert, um breit angelegte Virenfängereigenschaften zu demonstrieren. Diese Hüllen zeigten ein Potenzial zur Neutralisierung von Viren, indem sie diese innerhalb der DNA-Origami-Struktur einfingen – ein vielversprechender Schritt in Richtung therapeutischer Anwendungen. Wirtschaftliche und praktische Implikationen: Das entwickelte Kapsidsystem ermöglicht eine Reihe von potentiellen Anwendungen, darunter Neutralisation von Viren durch Verkapselung und Impfstoffentwicklung. Die Ergebnisse sind daher relevant für zukünftige Forschung und Kommerzialisierungsbemühungen, insbesondere im Bereich der antiviralen Therapien und nanotechnologiebasierten Medikamentenabgabe. Publikationen und Beiträge: Das Projekt führte zu mehreren hochrangigen Publikationen, darunter Arbeiten in Nature Materials, ACS Nano und den Proceedings of the National Academy of Sciences. Diese dokumentieren die Entwicklung und Anwendung der DNA-Origami-Kapsidsysteme.

Publications

• Antigen-Triggered Logic-Gating of DNA Nanodevices. Journal of the American Chemical Society, 143(51), 21630-21636.
  Engelen, Wouter; Sigl, Christian; Kadletz, Karoline; Willner, Elena M. & Dietz, Hendrik
  
• Programmable icosahedral shell system for virus trapping. Nature Materials, 20(9), 1281-1289.
  Sigl, Christian; Willner, Elena M.; Engelen, Wouter; Kretzmann, Jessica A.; Sachenbacher, Ken; Liedl, Anna; Kolbe, Fenna; Wilsch, Florian; Aghvami, S. Ali; Protzer, Ulrike; Hagan, Michael F.; Fraden, Seth & Dietz, Hendrik
  
• Broad-Spectrum Virus Trapping with Heparan Sulfate-Modified DNA Origami Shells. ACS Nano, 16(12), 20002-20009.
  Monferrer, Alba; Kretzmann, Jessica A.; Sigl, Christian; Sapelza, Pia; Liedl, Anna; Wittmann, Barbara & Dietz, Hendrik
  
• Geometrically programmed self-limited assembly of tubules using DNA origami colloids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 119(43).
  Hayakawa, Daichi; Videbaek, Thomas E.; Hall, Douglas M.; Fang, Huang; Sigl, Christian; Feigl, Elija; Dietz, Hendrik; Fraden, Seth; Hagan, Michael F.; Grason, Gregory M. & Rogers, W. Benjamin
  
• DNA origami traps for large viruses. Cell Reports Physical Science, 4(1), 101237.
  Monferrer, Alba; Kohler, Fabian; Sigl, Christian; Schachtner, Michael; Peterhoff, David; Asbach, Benedikt; Wagner, Ralf & Dietz, Hendrik
  
• Hierarchical assembly is more robust than egalitarian assembly in synthetic capsids. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(7).
  Wei, Wei-Shao; Trubiano, Anthony; Sigl, Christian; Paquay, Stefan; Dietz, Hendrik; Hagan, Michael F. & Fraden, Seth