Wetenschappers van de Universiteit van Basel zijn erin geslaagd om bolvormige compartimenten in clusters te organiseren die de manier nabootsen waarop natuurlijke organellen complexe structuren zouden creëren. Ze slaagden erin de synthetische compartimenten met elkaar te verbinden door er bruggen van DNA tussen te maken. Hiermee is een belangrijke stap gezet op weg naar de realisatie van zogenaamde moleculaire fabrieken. Het journaal Nano-letters hun resultaten heeft gepubliceerd.

Binnen een cel zijn er gespecialiseerde compartimenten die organellen worden genoemd, zoals bijvoorbeeld kern, mitochondriën, peroxisomen en vacuolen die verantwoordelijk zijn voor specifieke functies van de cel. Bijna alle geavanceerde biologische functies van cellen worden gerealiseerd door zelforganisatie, een proces waarbij moleculen een gedefinieerde rangschikking aannemen op basis van hun specifieke conformaties en eigenschappen, zonder begeleiding van buitenaf.

Het gebruik van zelforganisatie van nano-objecten in complexe architecturen is een belangrijke strategie om nieuwe materialen te produceren met verbeterde eigenschappen of functionaliteiten op gebieden zoals chemie, elektronica en technologie. Bijvoorbeeld, deze strategie is al toegepast om netwerken van anorganische vaste nanodeeltjes te creëren. Echter, tot dusver, deze netwerken waren niet in staat om geavanceerde structuren na te bootsen die biologische functies in de cellen hebben en dus potentiële toepassing hebben in de geneeskunde of biologie.

DNA-bruggen geven stabiliteit

Het gezamenlijke onderzoek van de groepen onder leiding van de professoren Cornelia Palivan en Wolfgang Meier biedt nu een nieuwe benadering om kunstmatige organellen zelf te organiseren in clusters die de verbinding tussen hun natuurlijke tegenhangers nabootsen. Door enkelvoudige DNA-strengen te gebruiken om de bolvormige compartimenten met elkaar te verbinden, slaagden de wetenschappers erin clusters te creëren volgens een specifieke architectuur en gecontroleerde eigenschappen. "We waren enthousiast om te zien, dat de verschillende DNA-strengen op het oppervlak van het bolvormige compartiment naar elkaar migreerden en een brug vormden met de DNA-strengen van de volgende", zegt Palivan. Deze DNA-brug staat voor een uiterst stabiele verbinding.

Deze door de natuur geïnspireerde strategie gaat verder dan de eigenlijke zelforganisatiebenaderingen, omdat het ook de integratie van verschillende vereisten mogelijk maakt, zoals de fijnafstemming van de afstand tussen de compartimenten of verschillende topologieën "op aanvraag". Als compartimenten, de wetenschappers gebruikten polymersomen, met een synthetisch membraan dat, in tegenstelling tot liposomen, heeft het grote voordeel dat het zeer stabiel is en het samensmelten van afzonderlijke compartimenten in de cel regelt.

Een bijkomend uniek voordeel van deze strategie om nanoclusters te organiseren is het feit dat de compartimenten kunnen worden geladen met reactiepartners zoals enzymen, eiwitten of katalysatoren. Dit vormt de basis voor de verdere engineering van kunstmatige organellen die dienst doen als moleculaire fabrieken. Dit onderzoek is gedaan binnen het National Center of Competence in Research (NCCR) Molecular Systems Engineering.