DNA-basierte Nanostrukturierung von kleinen unilamellaren Vesikel

• Antragsteller: Dr. Marko Skugor
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biologische und Biomimetische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 522144268

Die hierarchische Selbstorganisation nutzt vorbestimmte molekulare und supramolekulare Wechselwirkungen, um nanoskalige Komponenten in beliebiger Form anzuordnen. Eine der vielen attraktiven Möglichkeiten ist dabei die Konstruktion hybrider Nanoarchitekturen welche als Biomaterialien fungieren können. DNA Moleküle und Lipide sind zwei Biomoleküle welche großes Potential für die Herstellung synthetischer, hybrider Materialien aufweisen; trotz und gerade aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen biophysikalischen Eigenschaften. DNA ist Träger der genetischen Information und fand in den letzten Jahrzenten verstärkt als Konstruktionsmaterial in der DNA Origami Methode Verwendung, einem Verfahren welches DNA in stabile, programmierbare und vollständig adressierbare Nanoobjekte faltet. Lipide organisieren sich in wässriger Umgebung selbstständig zu Lipiddoppelschichten und Lipidvesikeln. Lipidvesikel sind Flüssigkeitskompartimente welche für gewöhnlich als Einschlusskompartimente für die Wirkstoffabgabe oder als Schnittstelle zur Untersuchung biophysikalischer Prozesse auf Lipidmembranen Verwendung finden. Mittels Cholesterin-modifizierten DNA Strängen welche sich in die Lipidmembran einbetten können, lassen sich DNA Origami Strukturen und Lipidmembranen unter voller Kontrolle ihrer räumlichen Anordnung und relativen Stöchiometrie verbinden. Dieser Antrag strebt an sich diese Eigenschaften gezielt zur Herstellung von DNA Origami Gittern zur zweidimensional, periodischen Anordnung von kleinen unilamellare Lipidvesikeln (SUV, < 100nm) zunutze zu machen. Das Gittergerüst wird mithilfe eines DNA Origami Rahmen aufgebaut, welcher SUVs mit einem Durchmesser von 25 bis 70 nm einfangen und binden kann und zu einem quadratischen Gitter polymerisiert werden kann. Das DNA Origami Gerüst fungiert hierbei als starre Plattform welche das Anordnungsmuster der SUVs vorbestimmt und die Bindungsstellen für diese bereitstellt. Die Vielseitigkeit dieses Ansatzes wird dabei durch die Konstruktion unterschiedlicher Gitter mit vielfältigen Mustern demonstriert, einschließlich der Organisation heterogener SUV-Anordnungen. Die Anordnungen werden durch TEM und DNA-PAINT, zwei Techniken welche auch zur Charakterisierung heterogener Muster geeignet sind, charakterisiert. So lassen sich Goldnanopartikel in bestimmte SUVs einbauen um als Kontrastmittel in der TEM Bildgebung zu dienen. DNA-PAINT kann durch die Verwendung orthogonale Fluorophore für die heterogene Charakterisierung angepasst werden. Der in diesem Antrag vorgestellte Ansatz kann diverse Bemühungen, einschließlich der Organisation chemischer Reaktionen und Reaktionskaskaden, der Konstruktion biosynthetischer Plattformen und Infrastrukturen zur Untersuchung von Transportsystemen, der Organisation photoemittierender Elemente und der Nanostrukturierung im Allgemeinen entscheidend vorantreiben.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle