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Wissenschaftler haben die winzigste Antenne gebaut, die je hergestellt wurde – sie ist nur fünf Nanometer lang. Im Gegensatz zu ihren viel größeren Gegenstücken, die wir alle kennen, wurde dieses winzige Ding nicht gebaut, um Radiowellen zu übertragen, sondern um die Geheimnisse der sich ständig verändernden Proteine zu entschlüsseln.
Die Nanoantenne besteht aus DNA, den Molekülen mit den genetischen Anweisungen, die etwa 20.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar sind. Sie ist außerdem fluoreszierend, d. h. sie nutzt Lichtsignale, um Informationen aufzuzeichnen und zurückzumelden.
Und diese Lichtsignale können verwendet werden, um die Bewegung und Veränderung von Proteinen in Echtzeit zu untersuchen.
Ein Teil der Innovation dieser speziellen Antenne besteht darin, dass der Empfängerteil auch die molekulare Oberfläche des untersuchten Proteins erfasst. Das Ergebnis ist ein eindeutiges Signal, wenn das Protein seine biologische Funktion erfüllt.
„Wie ein Zwei-Wege-Radio, das sowohl Radiowellen empfangen als auch senden kann, empfängt die fluoreszierende Nanoantenne Licht in einer Farbe oder Wellenlänge und sendet je nach der Bewegung des Proteins, die sie wahrnimmt, Licht in einer anderen Farbe zurück, die wir erkennen können“, erklärt der Chemiker Alexis Vallée-Bélisle von der Université de Montréal (UdeM) in Kanada.
Konkret besteht die Aufgabe der Antenne darin, die strukturellen Veränderungen von Proteinen im Laufe der Zeit zu messen. Proteine sind große, komplexe Moleküle, die im Körper alle möglichen wichtigen Aufgaben erfüllen, von der Unterstützung des Immunsystems bis hin zur Regulierung der Funktion von Organen.
Bei der Erfüllung ihrer Aufgaben unterliegen Proteine jedoch ständigen Strukturveränderungen, indem sie in einem hochkomplexen Prozess, den die Wissenschaftler als Proteindynamik bezeichnen, von einem Zustand in den nächsten übergehen. Und wir haben nicht wirklich gute Werkzeuge, um diese Proteindynamik in Aktion zu verfolgen.
„Die experimentelle Untersuchung von Übergangszuständen von Proteinen ist nach wie vor eine große Herausforderung, da Techniken mit hoher Strukturauflösung, einschließlich kernmagnetischer Resonanz und Röntgenkristallographie, oft nicht direkt zur Untersuchung kurzlebiger Proteinzustände eingesetzt werden können“, erklärt das Team in seinem Papier.
Die neueste DNA-Synthesetechnologie – seit etwa 40 Jahren in der Entwicklung – ist in der Lage, maßgeschneiderte Nanostrukturen unterschiedlicher Länge und Flexibilität herzustellen, die für die Erfüllung der gewünschten Funktionen optimiert sind.
Ein Vorteil dieser superkleinen DNA-Antenne gegenüber anderen Analysetechniken besteht darin, dass sie in der Lage ist, sehr kurzlebige Proteinzustände zu erfassen. Das bedeutet, so die Forscher, dass es viele potenzielle Anwendungen gibt, sowohl in der Biochemie als auch in der Nanotechnologie im Allgemeinen.
„Wir konnten zum Beispiel zum ersten Mal in Echtzeit die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase mit einer Vielzahl von biologischen Molekülen und Medikamenten nachweisen“, sagt der Chemiker Scott Harroun von der UdeM. „Dieses Enzym wird mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter verschiedene Krebsarten und Darmentzündungen.“
Bei der Erforschung der „Universalität“ ihres Designs testete das Team seine Antenne erfolgreich mit drei verschiedenen Modellproteinen – Streptavidin, alkalische Phosphatase und Protein G -, aber es gibt möglicherweise noch viel mehr zu tun, und einer der Vorteile der neuen Antenne ist ihre Vielseitigkeit.
„Nanoantennen können dazu verwendet werden, verschiedene biomolekulare Mechanismen in Echtzeit zu überwachen, einschließlich kleiner und großer Konformationsänderungen – im Prinzip jedes Ereignis, das die Fluoreszenzemission des Farbstoffs beeinflussen kann“, schreibt das Team in seinem Beitrag.
DNA wird als Baustein, den wir synthetisieren und manipulieren können, um Nanostrukturen wie die Antenne in dieser Studie zu schaffen, immer beliebter. Die DNA-Chemie ist relativ einfach zu programmieren und nach der Programmierung leicht zu verwenden.
Die Forscher wollen nun ein kommerzielles Startup gründen, damit die Nanoantennen-Technologie praktisch verpackt und von anderen genutzt werden kann, sei es von pharmazeutischen Organisationen oder anderen Forschungsteams.
„Was uns vielleicht am meisten freut, ist die Erkenntnis, dass viele Labors auf der ganzen Welt, die mit einem herkömmlichen Spektrofluorometer ausgestattet sind, diese Nanoantennen ohne weiteres zur Untersuchung ihres Lieblingsproteins einsetzen könnten, um beispielsweise neue Medikamente zu identifizieren oder neue Nanotechnologien zu entwickeln“, sagt Vallée-Bélisle.
Die Forschungsarbeit wurde in Nature Methods veröffentlicht.
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