Auf DNA Origami-Templaten basierende Silika Nanostrukturen für biomedizinische und katalytische Anwendungen

• Antragstellerin: Dr. Amelie Heuer-Jungemann
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427981116

Die Instabilität von DNA-Origamistrukturen in biologischen Medien oder nicht-wässrigen Lösungen hat bis jetzt die Ausschöpfung des vollen Potenzials ihrer praktischen Anwendung in der Biomedizin oder Katalyse verhindert. Im Gegensatz dazu wirkt die Forschung an Silica-Nanopartikeln in der Biomedizin und Katalyse zur Zeit gesättigt. Um die Weiterentwicklung beider Bereiche zu fördern, schlage ich hier vor die Eigenschaften von DNA-Origami und Silica-Nanopartikeln zu kombinieren. Hierzu wird die DNA-Origami-Technik zur Erzeugung verschiedener Nanometer großer, komplexer Formen verwendet, die als Vorlage für die Bildung von Silica-Nanostrukturen dienen, welche auf herkömmlichen Synthesewegen nicht zugänglich sind. Diese Strukturen werden hinsichtlich ihres zellularen Aufnahmemechanismus und -kinetik sowie des intrazellulären Verhaltens für mögliche Downstream-Therapieanwendungen untersucht. Um diesen neuartigen Silica-Nanostrukturen zusätzliche Funktionalität zu verleihen, werden DNA-Origamis mit Strängen aus Peptidnukleinsäuren (PNAs) modifiziert, welche aus der Struktur herausstehen. Aufgrund ihrer neutralen Ladung kann auf diesen PNA-Strängen kein Silicawachstum stattfinden, da dieser Prozess durch elektrostatische Anziehung zwischen dem kationischen Silica-Präkursor und dem polyanionischen DNA-Gerüst gesteuert wird. So werden diese Stränge auch nach dem Silicawachstum aus der Silica-Struktur herausragen und sind somit verfügbar um mit anderen DNA-Strängen zu hybridisieren. Diese Silicastrukturen sind hierdurch vollständig ortsspezifisch adressierbar und können somit auch ortsspezifisch durch Nukleinsäurehybridisierung modifiziert werden. Dieser Ansatz verbindet also die genaue Adressierbarkeit von DNA-Origami mit der chemischen Robustheit von Silica. Die Strukturen werden dann sowohl intra- als auch extrazellulär für die Antisense-Therapie bzw. Immuntherapie eingesetzt. Für letzteres werde Ich Superfamilienliganden der Tumornekrosefaktoren ortsspezifisch und mit einer bestimmten geometrischen Anordnung (z. B. hexagonal) auf der Silica-Oberfläche positionieren. Diese spezifische Anordung kann dann durch musterspezifische Wechselwirkungen mit extrazellulären Todesrezeptoren den Zelltod einleiten - also "Zelltod durch Geometrie". Darüber hinaus bieten diese neuartigen Silica-Strukturen ideale Plattformen für die Realisierung hocheffizienter Enzymkaskaden. Die Positionierung einer kontrollierten Anzahl verschiedener Enzyme in einem bestimmten Abstand zueinander innerhalb der schützenden „Pore“ einer Silica-DNA-Origami-Struktur, ermöglicht Substrat-Channeling und schützt die Enzyme vor negativen äußerlichen Einflüssen. Zudem kann der pH Wert in der lokalen Mikroumgebung des Enzyms mittels verschieden-geladener, an die PNA gekuppelter Moleküle genau eingestellt werden. Diese Faktoren werden zu einem stark erhöhten katalytischen Durchsatz führen und eröffnen die Möglichkeit, hocheffiziente enzymatische Nanofabriken zu erschaffen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: Konfokalmikroskop
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope