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DNA-Origami: Künstliche Nanopore aus DNA

Pilzförmiger Ionenkanal aus DNA-Helices, Schemazeichnung

Ein künstlicher Ionenkanal, bestehend aus DNA-Strukturelementen und konstruiert von einem Team um Martin Langecker von der Technischen Universität München, verhält sich analog zu natürlichen Ionenkanälen und lagert sich selbsttätig in Membranen ein. Das Konstrukt besteht aus einem röhrenförmigen Stiel, der die Membran durchspannt, und einer fassförmigen Hülle am oberen Ende des Stiels, die das gesamte Konstrukt an der Membran verankert. In Experimenten lagerte sich der Ionenkanal in künstliche Membranen ein und leitete einen Strom wie seine natürlichen Vorbilder. Außerdem können diese Konstrukte prinzipiell zwischen zwei verschiedenen Zuständen unterschiedlicher Leitfähigkeit umschalten.

Ionenkanal aus DNA | Die künstliche Membranpore besteht aus Alpha-Helices, hier als Zylinder dargestellt, sowie einer Plattform aus DNA-Strängen und Cholesterolmolekülen, die das Konstrukt an die Membran binden. Der rot gekennzeichnete Teil ragt durch die Membran hindurch und bildet eine etwa zwei Nanometer weite Pore.

Die Bauelemente der Nanopore sind DNA-Doppelhelices, die sich selbsttätig zur fertigen Struktur zusammenlagern. Der zentrale Stiel besteht aus sechs dieser stabförmigen DNA-Strukturen, die eine Röhre mit dem Innendurchmesser von zwei Nanometern bilden. Der Andock-Teil am oberen Ende des Stiels besteht aus 48 in einem Honigwabengitter angeordneten Helices, von denen einige mit Cholesteroleinheiten bestückt sind. Diese gleiten in die Membran hinein und verankern die Pore so.

Wie die Forscher um Langecker zeigen konnten, entspricht die Leitfähigkeit der Ionenkanäle den theoretischen Vorhersagen. Auch DNA-Einzelstränge ließen sich durch die Poren fädeln und anhand der veränderten Leitfähigkeit beim Durchtritt nachweisen. Außerdem konstruierten sie Strukturvarianten der Poren, die dank eines frei beweglichen DNA-Stücks im Kanal ein anderes Schaltverhalten zeigten als die Originale, so dass es prinzipiell möglich ist, die elektrischen Eigenschaften künstlicher Ionenkanäle gezielt zu steuern.

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