Ein Durchbruch in der Nanotechnologie wurde mit der Schaffung einer DNA-Origami-Nanospritze erzielt, die in der Lage ist, Moleküle aktiv in synthetische Zellen zu transportieren. Die von Forschern des 2. Physik-Instituts der Universität Stuttgart entwickelte Innovation stellt einen bedeutenden Sprung auf dem Gebiet der synthetischen Biologie und der Molekulare Engineering dar. Die in Nature Nanotechnology veröffentlichte Studie beschreibt, wie die Nanospritze mechanische Bewegung nutzt, um einen kontrollierten und reversiblen Transport über Lipidmembranen zu erreichen und die Funktionalität biologischer Systeme wie bakterieller Injektionssysteme und intrazytoplasmatischer Spermieninjektionstechniken nachzuahmen.
Die Nanospritze arbeitet nach Prinzipien, die denen in natürlichen biologischen Mechanismen ähneln. So wie die intrazytoplasmatische Spermieninjektion die direkte Einführung einer Spermienzelle in eine Eizelle beinhaltet, verwendet das DNA-basierte Gerät eine mechanische Penetration, um die Einschränkungen der passiven Diffusion zu umgehen. Diese Methode gewährleistet den direkten Zugang zum Inneren synthetischer Zellen und bietet ein Maß an Präzision, das zuvor mit traditionellen Transportmethoden unerreichbar war. Das Gerät wurde entwickelt, um an Lipidmembranen zu verankern, seine Nadel durch programmierte mechanische Aktion zu bewegen, molekulare Ladung zu liefern und sich dann zurückzuziehen, um die Membranintegrität zu erhalten.
Die Struktur der Nanospritze umfasst zwei Schlüsselkomponenten: eine Membranverankerung und eine bewegliche Nadel, die über einen umkehrbaren Gleitmechanismus miteinander verbunden sind. Dieses Design ermöglicht es dem Gerät, einen vollständig programmierbaren mechanischen Zyklus durchzuführen. Durch die Nutzung von DNA-Strangverschiebungsreaktionen kann die Nadel vorwärts gedrängt werden, um die Membran zu durchdringen, und zurückgezogen, um sich zurückzuziehen, wodurch sichergestellt wird, dass der Prozess sowohl kontrollierbar als auch wiederholbar ist. Diese Fähigkeit bedeutet, dass die Nanospritze molekulare Ladung transportieren kann, ohne die Zellmembran dauerhaft zu beschädigen und die strukturelle Integrität der synthetischen Zellen zu bewahren.
Über den bloßen Transport hinaus zeigte das Forscherteam, dass die Nanospritze als vielseitiges Werkzeug zur Steuerung biochemischer Prozesse innerhalb synthetischer Zellen dient. Durch die Verwendung der gleichen Plattform konnten sie DNA-Hybridisierungskettenreaktionen an bestimmten Stellen auf der Membran initiieren, die RNA-Transkription durch gezielte Abgabe von Promotor-Aktivatoren aktivieren und katalytische DNA-Enzyme einführen, die RNA-Substrate selektiv in geschlossenen Kompartimenten spalten. Diese Experimente unterstreichen das Potenzial der Nanospritze als programmierbare Schnittstelle zu dienen, die eine präzise Regulierung komplexer biochemischer Pfade ermöglicht. Die Auswirkungen dieser Entdeckung reichen weit über das Labor hinaus.
Die Integration mechanischer Bewegung in die DNA-Nanotechnologie eröffnet den Forschern neue Wege für die synthetische Biologie, die molekulare Therapie und die konstruierte Bioverbindung. Zukünftige Anwendungen könnten die programmierbare Abgabe von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen funktionellen Biomolekülen umfassen, die die Arzneimittelabgabe und die Zelltherapie revolutionieren könnten. Wie Dr. Longjiang Ding, der erste Autor der Studie, bemerkte, könnte die Fähigkeit, dynamisch mit lebenden Systemen zu interagieren, zu effektiveren und reaktionsschnelleren medizinischen Behandlungen führen.
Sie stellen sich eine Zukunft vor, in der sich solche Geräte nahtlos in biologische Systeme integrieren können, was die Interaktion und Reaktion in Echtzeit erleichtert.
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