„LEGO-Verfahren“ verschafft Einblick in DNA-Transport durch Nanoporen
Denken wir an Polymere, so stellen sich die meisten von uns das in vielen unserer Kleidungsstücke zu findende Polyester vor. Oder das Polyethylen, mit dem Lebensmittel verpackt werden, oder auch das Teflon, aus dem unsere antihaftbeschichteten Kochtöpfe bestehen. Polymere kommen jedoch auch in der Natur vor – etwa in Zellulose, Proteinen und sogar in der DNA. Sie sind als große Moleküle definiert, die aus langen Ketten kleinerer Moleküle zusammengesetzt sind. Beim Transport innerhalb von und zwischen Zellen müssen Polymere, wie sie in der DNA vorkommen, nanometergroße Poren, sogenannte Nanoporen, passieren. Dieser Polymertransport ist nicht nur die Grundlage vieler biologischer Prozesse, sondern auch die Basis eines breiten Spektrums an Sensortechnologien, die dem Nachweis und der Sequenzierung von DNA-Einzelmolekülen dienen. Ein Forschungsteam, das zum Teil im Rahmen des EU-finanzierten Projekts DesignerPores unterstützt wurde, hat nun ein neues Verfahren entwickelt, mit dem gemessen wird, wie sich die Geschwindigkeit der DNA bei ihrer Bewegung durch eine Nanopore verändert. Die Studie dazu wurde in „Nature Physics“ veröffentlicht. In einer aktuellen Meldung auf „Phys.org“ wird das Verfahren als „LEGO-ähnlich“ bezeichnet: „Es werden DNA-Moleküle zusammengesetzt, die an bestimmten Stellen in ihrer Längsrichtung hervorstehende Höcker aufweisen.“ Das Forschungsteam ließ die Moleküle eine Nanopore passieren und beobachtete, wie sich das Muster des Ionenflusses veränderte. Es war genau zu sehen, wie sich die Geschwindigkeit der DNA während des Prozesses veränderte. Im Endeffekt zeigten sich zwei Phasen des Verhaltens. Zunächst verlangsamte sich die DNA während der Bewegung durch das Nanoloch. Dann jedoch, als sie sich dem Ende des Prozesses näherte, legte sie an Tempo zu. Die Simulationen ergaben, dass das Verhalten der DNA ebenso wechselte, wie sich die Reibung zwischen dem Polymer und dem umgebenden Fluid veränderte.
Verbesserte Nanoporensensoren
„Unsere Methode zum Zusammenbau von LEGO-ähnlichen molekularen DNA-Linealen hat neue Einblicke in den Prozess des Einfädelns von Polymeren in unglaublich kleine, nur wenige Nanometer große Löcher ergeben“, bemerkte Seniorautor Dr. Nicholas Bell vom Cavendish Laboratory an der Universität Cambridge, die für das Projekt DesignerPores verantwortlich zeichnet. „Erst die Kombination aus Experimenten und Simulationen hat uns ein umfassendes Bild der diesem Prozess zugrunde liegenden Physik verschafft und sie wird die Entwicklung von Biosensoren auf der Basis von Nanoporen unterstützen. Es ist sehr aufregend, dass wir diese molekularen Abläufe nun bis ins kleinste Detail messen und verstehen können.“ Laut Hauptautor Dr. Kaikai Chen, der ebenfalls am Cavendish Laboratory forscht, „werden diese Ergebnisse dazu beitragen, die Genauigkeit von Nanoporensensoren innerhalb ihrer verschiedenen Anwendungen zu verbessern, so zum Beispiel bei der auf den Nanometer genauen Lokalisierung bestimmter Sequenzen auf der DNA oder bei der Früherkennung von Krankheiten durch den Nachweis von Ziel-RNA.“ Dr. Chen erläuterte weiter: „Dank der außergewöhnlich hohen Auflösung der Analyse von Molekülen, die Nanoporen passieren, werden wir nun auf der DNA gespeicherte digitale Informationen mit geringer Fehlerquote entschlüsseln können. Wir erforschen und verbessern den Nutzen von Nanoporensensoren für diese Anwendungen.“ Dem Team gehörten auch Forschende von der University of Massachusetts in den Vereinigten Staaten an. Das Sechsjahresprojekt DesignerPores (Understanding and Designing Novel NanoPores) endete im Juni 2021. Weitere Informationen: DesignerPores-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
DesignerPores, DNA, Polymer, Nanopore, Molekül, Sensoren