Florian Praetorius en prof. Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee op maat gemaakte hybride structuren kunnen worden gemaakt met behulp van DNA en eiwitten. De methode opent nieuwe mogelijkheden voor fundamenteel onderzoek in de celbiologie en voor toepassingen in de biotechnologie en geneeskunde.

desoxyribonucleïnezuur, beter bekend onder de afkorting DNA, draagt ​​onze genetische informatie. Maar aan prof. Hendrik Dietz en Florian Praetorius van TUM, DNA is ook een uitstekend bouwmateriaal voor nanostructuren. Het vouwen van DNA om driedimensionale vormen te creëren met behulp van een techniek die bekend staat als "DNA-origami" is in deze context een gevestigde methode.

Maar er zijn grenzen aan deze benadering, legt Dietz uit. Het "bouwwerk" vindt altijd buiten biologische systemen plaats en veel componenten moeten chemisch worden gesynthetiseerd. "Het creëren van door de gebruiker gedefinieerde structuren in groottes in de orde van 10 tot 100 nanometer in een cel blijft een grote uitdaging, " voegt hij eraan toe. Hun nieuw ontwikkelde techniek stelt de onderzoekers nu in staat eiwitten te gebruiken om dubbelstrengs DNA in de gewenste driedimensionale vormen te vouwen. Hier, zowel het DNA als de benodigde eiwitten kunnen genetisch worden gecodeerd en in cellen worden geproduceerd.

Eiwitten fungeren als nietjes

Ontworpen "stapeleiwitten" op basis van TAL-effectoren vormen de sleutel tot de methode. TAL-effectoren worden in de natuur geproduceerd door bepaalde bacteriën die planten infecteren en kunnen binden aan specifieke sequenties in het planten-DNA, waardoor de afweermechanismen van de plant worden geneutraliseerd. "We hebben varianten van de TAL-eiwitten geconstrueerd die tegelijkertijd twee aangepaste doelsequenties op verschillende plaatsen in het DNA herkennen en ze vervolgens in feite aan elkaar nieten, " zegt Dietz. "Dit was precies de eigenschap die we nodig hadden:eiwitten die DNA aan elkaar kunnen stapelen."

De tweede component van het systeem is een dubbele DNA-streng die meerdere bindingssequenties bevat die kunnen worden herkend en gekoppeld door een reeks verschillende stapeleiwitten. "In het eenvoudigste geval kan een lus worden gemaakt door twee punten aan elkaar te binden, Praetorius legt uit. "Als er meerdere van deze bindingsplaatsen in het DNA aanwezig zijn, het is mogelijk om complexere vormen te bouwen." Een essentieel aspect van het werk van de onderzoeker was daarom het bepalen van een reeks regels voor het rangschikken van de stapeleiwitten zelf en hoe de bindingssequenties op de dubbele DNA-streng moeten worden verdeeld om de gewenste vorm te creëren.

Nieuwe tools voor fundamenteel onderzoek

Bovendien, de stapeleiwitten dienen als ankerpunten voor extra eiwitten:een methode die genetische fusie wordt genoemd, kan worden gebruikt om elk gewenst functioneel eiwitdomein te hechten. De hybride structuren van DNA en eiwitten fungeren dan als een driedimensionaal raamwerk dat de andere eiwitdomeinen in een bepaalde ruimtelijke positie kan brengen. Alle bouwstenen voor de hybride DNA-eiwitstructuren kunnen door de cel zelf worden geproduceerd en vervolgens autonoom worden samengesteld. De onderzoekers waren in staat om de hybriden te produceren in omgevingen die op cellen lijken, uitgaande van genetische informatie. "Er is een vrij grote kans dat dit ook in echte cellen zal werken, ' zegt Dietz.

De nieuwe methode maakt de weg vrij voor het regelen van de ruimtelijke ordening van moleculen in levende systemen, waarmee fundamentele processen kunnen worden onderzocht. Bijvoorbeeld, aangenomen wordt dat de ruimtelijke ordening van het genoom een ​​substantiële invloed heeft op welke genen kunnen worden uitgelezen en hoe efficiënt het leesproces is. Het opzettelijk creëren van lussen met behulp van hybride TAL-DNA-structuren in genomisch DNA kan een hulpmiddel zijn om dergelijke processen te onderzoeken.

Ook zou het mogelijk zijn om een ​​reeks eiwitten op maat binnen en buiten de cel geometrisch te positioneren om bijvoorbeeld de invloed van ruimtelijke nabijheid op informatieverwerking in de cel te onderzoeken. Ook de ruimtelijke nabijheid van bepaalde enzymen zou processen in de biotechnologie efficiënter kunnen maken. als laatste, het zou ook denkbaar zijn om eiwit-DNA hybride structuren te gebruiken om bijvoorbeeld de immuunrespons van cellen beter te stimuleren, die kan afhangen van de precieze geometrische rangschikking van meerdere antigenen.

De studie is gepubliceerd in tijdschrift Wetenschap vandaag.