(2.11.16) Acht Forscher aus München, Braunschweig, Leverkusen und Regensburg konstruierten eine Miniaturstreckbank, mit der sie winzige Molekül-Kräfte messen können.
© Christoph Hohmann
Die Nanostreckbank stellten die Forscher um den Physiker Tim Liedl von der LMU München mit Hilfe der DNA-Origami-Technik aus DNA-Strängen her (Nickels et al., Science Vol. 354, 305-07). Die sogenannte Scaffold-DNA aus einem circa 7kb langen DNA-Strang formiert sich hierbei in übereinander liegenden DNA-Schichten zu einer klammerförmigen Struktur. Quervernetzende Oligonukleotide "tackern" die Schichten zusammen und verleihen der DNA-Streckbank zusätzliche Stabilität.
Doch wie lassen sich die zu untersuchenden Moleküle in den etwa 43 Nanometer messenden Raum zwischen den beiden Innenseiten der Klammer einspannen, um daran gezielt „zerren“ zu können? Dazu mussten die Forscher das Ziel-Molekül mit diesen verbinden. Die pfiffigen Physiker nutzten hierzu eine einzelsträngige DNA (ssDNA), deren Enden sie an der Klammer-Innenseite fixierten. In die Mitte der ssDNA positionierten sie eine Multiple-Klonierungs-Stelle (MCS). So können sie jeden gewünschten DNA-Abschnitt in die MCS klonieren und ihn in die Klammer einspannen.
Die freien Enden der ssDNA nehmen das dazwischen liegende Zielmolekül von beiden Seiten in die Zange. Ähnlich wie eine Feder übt die ssDNA unterschiedlich starke Kräfte auf das eingespannte Molekül aus, wobei die Kraft von der Länge der eingesetzten ssDNA abhängt. Allein durch das Variieren der ssDNA-Länge gelang es der Gruppe, ein halbes Dutzend Klammern mit Spannkräften von 0 bis 12 Pico-Newton zu basteln.
Die bayerische DNA-Streckbank hat sich bereits in der Praxis bewährt. In einem „Proof of Concept“-Experiment ermittelte das Team, wie mechano-sensitiv DNA-bindende Proteine sind. Hierzu spannte es einen 51-Basenpaare-langen DNA-Abschnitt, der die TATA-Box eines bakteriellen Promoters enthielt, in die Klammer ein. Normalerweise verursacht das Andocken von TATA-Box-Binde-Proteinen einen 90°-Knick in der DNA. Ohne diese Konformationsänderung kann keine Transkription stattfinden.
Liedls Gruppe spannte den TATA-Box-Abschnitt unterschiedlich stark, indem die Wissenschaftler die Länge der ssDNA variierten. Bei einer Spannkraft von etwa 10 Pico-Newton bewirkte das TATA-Box-Bindeprotein keinen Knick mehr in seiner Ziel-DNA. Als „Readout“ nutzten die Physiker hierbei den Förster-Resonanz-Energie-Transfer (FRET): An zwei Positionen auf dem DNA-Abschnitt brachten sie Farbstoff-Markierungen an. Nur wenn sich die beiden Markierungen bei einem 90°-Knick nahe genug kamen, gab es ein entsprechendes FRET-Signal.
Da sich die DNA-Streckbank einfach herstellen sowie bedienen lässt und zudem Hochdurchsatz-geeignet ist, sehen die Forscher um Liedl in ihrer Methode eine günstige Alternative zu aufwändigen und teuren Kraft-Spektroskopie Systemen.
Andrea Pitzschke