Ein DNA-basierter Nano-Roboter zur Erforschung Ihrer Zellen

Ein ferngesteuerter Nanoroboter oder molekularer Aktuator, der mithilfe der DNA-Origami-Methode entwickelt wurde, wird eine Vielzahl von mechanischen Kräften, die auf lebende Zellen wirken, steuern und erforschen.

Ein besseres Verständnis verschiedener, für das bloße Auge unsichtbarer Prozesse, die auf der Ebene unserer Zellen ablaufen, dank eines winzigen, auf DNA-Basis konstruierten Roboters? Auch wenn dies fast wie ein Science-Fiction-Projekt klingt, handelt es sich in Wirklichkeit um sehr ernsthafte Arbeiten, die von Forschern des französischen Forschungsinstitut Inserm, des CNRS und der Universität Montpellier am Zentrum für Strukturbiologie in Montpellier durchgeführt werden. Dieser hochinnovative „Nano-Roboter“ sollte es ermöglichen, mechanische Kräfte, die auf mikroskopischen Ebenen wirken und für viele biologische und pathologische Prozesse entscheidend sind, genauer zu untersuchen. Das Gerät wird in einer neuen Studie beschrieben, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde.

Mechanische Kräfte wirken auf mikroskopischer Ebene auf unsere Zellen und lösen biologische Signale aus, die für viele zelluläre Prozesse, die an der normalen Funktion unseres Körpers oder an der Entwicklung von Krankheiten beteiligt sind, entscheidend sind. Beispielsweise ist das Gefühl der Berührung zum Teil davon abhängig, dass mechanische Kräfte auf bestimmte Zellrezeptoren einwirken (deren Entdeckung in diesem Jahr mit dem Nobelpreis für Medizin ausgezeichnet wurde). Neben dem Tastsinn ermöglichen diese auf mechanische Kräfte reagierenden Rezeptoren (man spricht von Mechanorezeptoren) die Regulierung anderer biologischer Schlüsselprozesse wie die Verengung der Blutgefäße, die Schmerzwahrnehmung, die Atmung oder auch das Erkennen von Schallwellen im Ohr usw.

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Eine Fehlfunktion dieser zellulären Mechanosensibilität ist an vielen Krankheiten wie Krebs beteiligt: Krebszellen wandern durch den Körper, indem sie ständig die mechanischen Eigenschaften ihrer Mikroumgebung erforschen und sich daran anpassen. Diese Anpassung kann nur erfolgen, weil spezifische Kräfte von Mechanorezeptoren erfasst werden, die die Informationen an das Zytoskelett der Zellen weiterleiten.

Gegenwärtig ist unser Wissen über diese molekularen Mechanismen, die an der zellulären Mechanosensitivität beteiligt sind, noch sehr begrenzt. Es gibt bereits mehrere Technologien zur Anwendung kontrollierter Kräfte und zur Untersuchung dieser Mechanismen, die jedoch mit einer Reihe von Einschränkungen verbunden sind. Insbesondere sind sie extrem teuer und können nicht mehrere Zellrezeptoren gleichzeitig untersuchen, was bedeutet, dass sie sehr zeitaufwendig sind, wenn man viele Daten sammeln möchte.

Ein molekularer Aktuator auf der Basis von DNA-Origami

Um eine Alternative anzubieten, beschloss das Forschungsteam unter der Leitung des Inserm-Forschers Gaëtan Bellot am Zentrum für Strukturbiologie (Inserm/CNRS/Universität Montpellier), sich auf die Methode der DNA-Origamis zu stützen. Diese ermöglicht die Selbstmontage von 3D-Nanostrukturen in einer vordefinierten Form, indem das DNA-Molekül als Baumaterial verwendet wird. In den letzten zehn Jahren hat diese Technik zu großen Fortschritten in der Nanotechnologie geführt.

So ist es Forschern und Forscherinnen gelungen, einen „Nano-Roboter“ zu konstruieren, der aus drei DNA-Origamis besteht. Mit seiner Nanogröße ist er mit der Größe einer menschlichen Zelle kompatibel. Er ermöglicht zum ersten Mal die Anwendung und Kontrolle von Kraft mit einer Auflösung von 1 Piconewton, d. h. einem Tausendmilliardstel Newton, wobei ein Newton der Kraft eines Fingers auf dem Drücker eines Kugelschreibers entspricht. Es ist das erste Mal, dass ein selbstorganisiertes Objekt auf der Basis von von Menschen geschaffener DNA eine Kraft mit dieser Präzision aufbringen kann.

In einem ersten Schritt wird der Roboter mit einem Molekül gekoppelt, das einen Mechanorezeptor erkennt. Diese Kopplung ermöglicht es dann, den Roboter auf bestimmte unserer Zellen zu lenken und spezifisch Kräfte auf die gezielten zellulären Mechanorezeptoren anzuwenden, die auf der Zelloberfläche lokalisiert sind, um sie zu aktivieren.

Ein solches Werkzeug ist für die Grundlagenforschung sehr wertvoll, da es eingesetzt werden könnte, um die molekularen Mechanismen, die an der zellulären Mechanosensitivität beteiligt sind, besser zu verstehen und neue Zellrezeptoren zu entdecken, die auf mechanische Kräfte reagieren. Mithilfe des Roboters können die Wissenschaftler außerdem genauer untersuchen, wann bei der Anwendung von Kraft auf Zellebene Signalwege aktiviert werden, die für viele biologische und pathologische Prozesse von zentraler Bedeutung sind.

„Die Entwicklung eines Roboters, der Kräfte im Pico-Newton-Bereich in vitro und in vivo anwenden kann, entspricht einer wachsenden Nachfrage in der wissenschaftlichen Gemeinschaft und stellt einen wichtigen technologischen Fortschritt dar. Andererseits kann die Biokompatibilität des Roboters sowohl als Vorteil für in vivo-Anwendungen angesehen werden, als auch eine Schwäche mit einer Empfindlichkeit gegenüber Enzymen, die DNA abbauen können, darstellen, betont Gaëtan Bellot. Der nächste Schritt in unserer Arbeit wird also sein, zu untersuchen, wie man die Oberfläche des Roboters so verändern kann, dass er weniger anfällig für die Wirkung von Enzymen ist. Wir werden auch versuchen, andere Arten der Aktivierung unseres Roboters zu finden, indem wir z. B. ein Magnetfeld verwenden“.

Urhebender Autor: INSERM