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Nanoingenieure : Besser basteln mit Kombi-Biobauklötzen

Aminosäuren sind vielseitig, die DNA-Doppelhelix stabil und ihre Basen exakt und treffsicher. Warum nicht alle Vorteile kombinieren, meinten Forscher - und schufen "PNA".
Synthetische BiologieLaden...

Aus Materialien wie der DNA bauen Nanoingenieure ja schon seit Längerem allerlei kleine biochemische Gerätschaften – zum Beispiel Poren durch Zellmembranen, winzige Kistchen zum Ausrichten oder Transportieren von fragilen Molekülen im Körper oder kleinste Gerüststrukturen. Dabei ist bisher aber doch eher Spieltrieb die Triebfeder als ein echter Bedarf an dem, was beim Nano-Origami bis dato so herauskam. Immerhin könnte sich das aber doch einmal ändern, sobald die biologischen Bausteine besser beherrscht werden und nützlichere Molekülvarianten gezielter zusammengesteckt werden können. Ein Schritt in diese Richtung gelang nun israelischen Forschern: Sie kombinierten die Fähigkeit von DNA-Basen, sich treffsicher zusammenzulagern, mit dem Potenzial von Peptiden und ihren vielen Anhängen mit unterschiedlichsten biochemischen Möglichkeiten. Heraus kommen dabei verschiedene selbstorganisierende "PNAs", also Peptid-Nukleinsäuren.

Neuer Biobauklotz: Die PNALaden...
Neuer Biobauklotz: Die PNA | Die neu konstruierten PNAs bestehen aus einem Rückgrat aus Peptiden und daran seitlich angehängten Nukleobasen. Diese halten – nach dem Prinzip eines DNA-Doppelstrangs – die beiden Peptidketten durch Wasserstoffbrücken zusammen. Dabei können die Peptide recht kurz sein: Schon zwei gepaarte Basen reichen für eine stabile Verbindung aus.

Auch die PNAs haben bisher vor allem noch nicht abgerufenes Potenzial; allerdings können sie schon Licht emittieren, berichten die Forscher von den ersten Ergebnissen ihrer Machbarkeitsstudie. Das Team war vom natürlichen Konstruktionsvorbild der DNA-Doppelhelix ausgegangen, um ihre PNAs zu bauen: Dabei verbinden sich zwei Rückgrat-Stämme (bei DNA aus Zucker-Phosphat-Ketten) über Wasserstoffbrücken der Nukleinsäurebasen zwischen ihnen. Im Wesentlichen ersetzten die Forscher nun das Zucker-Phosphat-Rückgrat durch eine Aminosäurekette, also ein Peptid. Die (recht kurzen) Peptide trugen seitlich in regelmäßigem Abstand angebrachten Basencodons und verhielten sich daher ähnlich wie ein DNA-Einzelstrang: Sie binden über die Basen an einen Gegenstrang mit passenden Anticodons per Wasserstoffbrücken, wonach die Peptide dann wie bei einem Reißverschluss stabil als di-PNA zusammenhalten.

Nötig sind für eine dauerhafte Bindung dabei gerade einmal sechs einzelne Wasserstoffbrückenbindungen; es reicht daher ein Peptidfragment mit zwei G- oder C-Basen und das entsprechende Gegenstück, um di-PNAs zu erhalten, so die Forscher nach Kontrollblicken auf verschiedene Varianten im Elektronenmikroskop. Die eher sperrigen Seitenketten am Peptidkettenrückgrat gewährleisteten dabei eine insgesamt stabile Ordnung des Konstrukts, und die einzelnen Stränge mit zueinander passenden G- und C-Basen lagerten sich innerhalb von wenigen Minuten auch spontan zusammen und stabilisierten sich dann nicht nur über die Wasserstoffbrücken, sondern auch durch Wechselwirkungen zwischen den flach übereinandergelagerten Ringebenen der Basen. Zudem – ein hübscher Nebeneffekt – leuchten sie durch Elektrolumineszenz, emittieren also sichtbares Licht, sobald eine elektrische Spannung angelegt wird. Ebendas könnte schon bald tatsächlich nutzbringend eingesetzt werden, hofft das Forscherteam – vielleicht beim Bau von organischen Leuchtdioden.

11/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 11/2015

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