DNA-Mikrokapseln mit integrierten Ionenkanälen entwickelt

20.09.2019 - Japan

Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Tokyo Tech berichtet über eine Möglichkeit, DNA-basierte Mikrokapseln zu konstruieren, die für die Entwicklung neuer funktioneller Materialien und Geräte vielversprechend sind. Sie zeigten, dass winzige Poren auf der Oberfläche dieser Kapseln als Ionenkanäle wirken können. Ihre Studie wird die Fortschritte im Bereich des künstlichen Zell-Engineerings und der Molekularrobotik sowie der Nanotechnologie selbst beschleunigen.

DNA-basierte, selbstorganisierte Nanostrukturen sind vielversprechende Bausteine für neuartige Mikro- und Nanogeräte für biomedizinische und umwelttechnische Anwendungen. Ein Großteil der Forschung konzentriert sich derzeit darauf, solche Strukturen um Funktionen zu erweitern, um ihre Vielseitigkeit zu erweitern.

So werden beispielsweise künstliche Kapseln, so genannte Liposomen, mit einer Lipid-Bilayer-Membran bereits erfolgreich als Sensoren, Diagnosewerkzeuge und Drug-Delivery-Systeme eingesetzt. Eine weitere Gruppe von Kapseln, die keine Lipid-Doppelschicht haben, sondern aus einer kolloidalen Partikelmembran bestehen, die als Pickering-Emulsion oder Kolloidosomen bekannt ist, hat ebenfalls Potenzial für viele biotechnologisch nützliche Anwendungen.

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Jetzt berichtet eine Forschungsgruppe unter der Leitung des Biophysikers Masahiro Takinoue vom Tokyo Institute of Technology über eine neuartige Pickering-Emulsion mit der zusätzlichen Funktionalität von Ionenkanälen - eine Leistung, die neue Wege bei der Entwicklung künstlicher Zellen und molekularer Roboter eröffnet.

"Zum ersten Mal haben wir die Funktion des Ionenkanals mit Hilfe von geporten DNA-Nanostrukturen ohne das Vorhandensein einer Lipid-Bilayermembran demonstriert", sagt Takinoue.

Das Design des Teams nutzt die selbstorganisierenden Eigenschaften von DNA-Origami-Nanoplatten. Die resultierenden Pickering-Emulsionen werden durch die amphiphilen Eigenschaften der Nanoplatten stabilisiert.

Eine der spannendsten Implikationen der Studie, erklärt Takinoue, ist, dass es möglich sein wird, stimulierungsempfindliche Systeme zu entwickeln - solche, die auf dem Konzept des Open-Close-Switching basieren. Solche Systeme könnten schließlich zur Entwicklung künstlicher neuronaler Netze verwendet werden, die die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachahmen.

"Darüber hinaus könnte eine stimulierend reagierende Formänderung der DNA-Nanoplatten als Triebkraft für die autonome Fortbewegung dienen, was für die Entwicklung molekularer Roboter nützlich wäre", sagt Takinoue.

Die vorliegende Studie zeigt die Stärken des Teams bei der Kombination der DNA-Nanotechnologie mit einer Perspektive, die auf Biophysik und Soft-Materie-Physik basiert.

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