DNA-Origami zum Scale-up molekularer Motoren
Forscher haben DNA-Origami erfolgreich eingesetzt, um glatte muskelähnliche Kontraktionen in großen Netzwerken molekularer Motorsysteme zu erzeugen, eine Entdeckung, die in der Molekularrobotik angewendet werden könnte.
Das Mischen von DNA-modifizierten Mikrotubuli, DNA-Origami und Kinesin-Linker führt zu sternförmigen Formationen von Mikrotubuli, die durch Kinesin-Linker verbunden sind. Dieses Netzwerk hat sich dynamisch zusammengeschlossen, wenn ATP-Energie hinzugefügt wurde.
Matsuda K. et al., Nano Letters, April 30, 2019
"Wir haben die programmierte Selbstmontage eines biomolekularen Motorsystems erfolgreich demonstriert", schreiben die Forscher aus Japan und Deutschland, die die Studie durchgeführt haben.
Das biomolekulare Bewegungssystem, bestehend aus faserigen Mikrotubuli und motorischen Protein-Kinesinen, spielt eine wesentliche Rolle in zellulären Transportsystemen. Wissenschaftler glauben, dass sie die Motoren in der Molekularrobotik einsetzen können, aber es bleibt schwierig, aus den winzigen Molekülen ein größeres System zusammenzubauen.
In der aktuellen Studie, die in Nano Letters veröffentlicht wurde, entwickelte das Forschungsteam um Akira Kakugo von der Hokkaido University, Akinori Kuzuya von der Kansai University und Akihiko Konagaya vom Tokyo Institute of Technology ein System, das DNA-Origami und Mikrotubuli kombiniert. Die DNA-Origami wurden aus sechs gebündelten DNA-Helices gebildet. Das Mischen der beiden Komponenten führte dazu, dass sich die Mikrotubuli um die DNA Origami herum selbst zusammenbanden und sternförmige Strukturen bildeten. Diese Selbstorganisation wurde durch die Bindung komplementärer DNA-Stränge ermöglicht, die an jede Komponente gebunden sind.
Das Team entwarf dann einen "Kinesin Linker", der aus vier Kinesin-Motorproteinen besteht, die von einem zentralen Kernprotein ausgehen. Diese Kinesin-Linker verbanden die Mikrotubuli miteinander, wodurch sich mehrere sternförmige Baugruppen verbinden und ein viel größeres hierarchisches Netzwerk bilden.
Als dem System Adenosintriphosphat (ATP), ein Molekül, das Energie speichert und transportiert, hinzugefügt wurde, bewegten sich die Kinesin-Linker, wodurch sich das mikrotubuläre Netzwerk innerhalb weniger Minuten dynamisch zusammenzieht. Dies glich nach Ansicht der Forscher der Kontraktion glatter Muskeln.
Diese dynamische Kontraktion fand nur statt, wenn die DNA-Origami vorhanden waren, was auf die Bedeutung der hierarchischen Anordnung innerhalb des mikrotubulären Netzwerks hinweist. "Weitere Studien könnten zur Verwendung von DNA für die kontrollierte, programmierbare Selbstorganisation und Kontraktion von biomolekularen Motoren führen. Solche Motoren könnten Anwendungen in der Molekularrobotik und bei der Entwicklung von Mikroventilen für mikrofluidische Geräte finden", sagt Akira Kakugo.
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