Heinrich-Heine Universität Düsseldorf. Andreas Möglich. Biophysikalische Chemie Humboldt-Universität zu Berlin

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1 Heinrich-Heine Universität Düsseldorf 24. März 2014 Andreas Möglich Biophysikalische Chemie Humboldt-Universität zu Berlin 1

2 Synthetische Biologie 2 Hierarchie biologischer Systeme: 2

3 Synthetische Biologie 3 Grundlegende Wesenszüge der Synthetischen Biologie: 1) Design, Modellierung und Konstruktion neuer biologischer Teile, Apparate und Systeme. (parts, devices, systems) 2)Re-Design, Neuverschaltung, Veränderung biologischer Systeme für neue Anwendungen. Grundlagenforschung Pendant zu klassischem, analytischen Ansatz Anwendung 3

4 Motivation & Übersicht 4 Motivation Verwendung von DNA als Baumaterial Erzeugung definierter Strukturen aufder Nanometer-Skala Funktionalisierung 'Smart Materials' Übersicht Eigenschaften von DNA verzweigte DNA-Strukturen periodische vs. finite DNA-Strukturen DNA Origami Iinuma et al. Science

5 Die Atomare Struktur der DNA 5 Vor gut 60 Jahren ermittelten Watson & Crick auf Basis von Röntgendiffraktion die Doppelhelix-Struktur der DNA. 20 Å 3.3 Å / bp 10.5 bp / Windung Die atomare Struktur eines Dodecamers B-DNA wurde 1980 von Dickerson aufgeklärt. DNA bildet Zylinder mit ~ 2 nmdurchmesser Watson & Crick Nature 1953, Franklin & Gosling Nature1953, Wing et al. Nature1980 5

6 Mechanische Eigenschaften der DNA 6 Wenn DNA-Doppelhelices als Bausteine in der Nanotechnologie verwendet werden sollen, müssen wir ihre Stabilität und Steifigkeit kennen. Persistenzlänge P = I l n 1 In 1 i= 1 Wert von Pabhängig von [Salz] aber ~ 500 Å für B-DNA auf molekularer Ebene verhält sich DNAwie I 1 ein steifer Stab aber: wie kann ich zwei- und drei-dimensionale DNA-Strukturen erzeugen? Cantor & Schimmel Biophysical Chemistry 1980, Serdyuk et al. Methods in Molecular Biophysics

7 Verzweigte DNA-Strukturen 7 Was hat die Natur im Angebot? Verzweigte DNA-Strukturen definierter Zusammensetzung tauchen in verschiedenen Prozessen auf und können zur Erzeugung zweidimensionaler Strukturen verwendet werden. die Gabelstruktur bei der Replikation ver- knüpftdreidna-strängea, B und C aber:diese 3-Wege-Verzweigungen sind flexibel (gut für Funktion, aber schlecht für Stabilität) Voet & Voet Biochemistry 4th ed

8 Holliday Junction 8 Die sog. Holliday Junction tritt als Intermediat bei der homologen Rekombination auf und verknüpft vier doppelsträngige DNA-Moleküle. aber: immer noch flexibel - kann man das verbessern? Voet & Voet Biochemistry 4th ed. 2011, Gopaul et al. EMBO J1998 8

9 Multi-Crossover DNA-Strukturen 9 Die Einführung von Überkreuzungen(Crossover) verleiht Stabilität. Auf Basis dieser Erkenntnis entwickelten Fu & Seeman das Double-Crossover-Motiv. es werden ebenso vier DNA-Stränge A, B, C und D verknüpft, allerdings mit erhöhter mechanischer Stabilität Fu & Seeman Biochemistry1993, Shi & Lin Curr Opin Struct Biol2010, Nangreave et al. Curr Opin Chem Biol

10 Grundbausteine von DNA-Nanostrukturen 10 Zusammen mit der DNA-Doppelhelix bilden Double-Crossovers die grundlegende, immer wiederkehrende Bausteine von DNA-Nanostrukturen. DNA Doppelhelix Double Crossover Kombinationen dieser wohl charakterisierten Grundeinheiten ermöglichen Synthese komplexer DNA-Strukturen in zwei und drei Dimensionen Castro et al. Nat Meth

11 Periodische vs. finite DNA-Nanostrukturen 11 1 Periodische Strukturen 2 Finite Strukturen räumlich begrenzte, monodisperse Strukturen komplexere Strukturen DNA-Origami Yan et al. Science 2003 Rothemund Nature

12 DNA Origami 12 Der Begriff 'Origami' leitet sich von der bekannten Japanischen Kunstform ab, wörtlich 'Falten von(ori 折 ) Papier (kami り 紙 )'. Papier Anleitung Origami Scaffold-Strang Staple-Stränge DNA Origami Rothemund Nature 2006; 12

13 Faltung eines DNA-Origamis 13 Folgende Simulation veranschaulicht die Faltung eines DNA-Origamis. Shawn Douglas, 13

14 Vielfalt von DNA-Origamis 14 Durch Gabe unterschiedlichermischungen von Staple-Strängenkann der Scaffold-Strang in unterschiedliche Formen gefaltet werden (AFM Bilder). Zudem ist es möglich, gezielt Stellen zu dekorieren bzw. modifizieren: Rothemund Nature

15 Reaktionskontrolle mit DNA-Origamis 15 DNAs sind synthetisch gut handhabbarund können derivatisiertwerden mit Peptiden, Lipiden, Beads, Zuckern, Biotin... Ermöglicht z. B. Reaktionskontrolle mit Nanometer-Genauigkeit: Streptavidin auf DNA-Origami Zugabe Chemikalie #1 Zugabe Chemikalie #2 Voigt et al. Nat Nanotech

16 Mehrlagige DNA-Nanostrukturen 16 Neben flächigen Strukturen können auch dreidimensionale DNA-Origamis gebildet werden. In definiertemabstandbefindlichecrossoversarrangierendoppelhelicesin verschiedener Packung. Quadratisch Hexagonal +7 bp Douglas et al. Nature 2009, Castro et al. Nat Meth

17 Gebogene DNA-Nanostrukturen 17 Auf Basis hexagonaler Packung können verdrillte und gebogene DNA-Origamis erzielt werden. Unter- und Überwindung ergeben links-und rechtshändige Verdrillung Dietz et al. Science 2009, Castro et al. Nat Meth

18 Gebogene DNA-Nanostrukturen 18 Dietz et al. Science

19 Ein Baukasten von DNA-Nanostrukturen 19 Durch kreative Kombinationenwohl charakterisierter Grundbausteinelassen sich eine Vielzahl definierter Nanopartikel synthetisieren. Nano-Baukasten: Dietz lab, Technical University Munich 19

20 Funktionale DNA-Nanostrukturen 20 DNA-Origamis können über Gabe von Liganden in ihrer Form moduliert werden. Transport und Freisetzung von Zielmolekülen Douglas et al. Science

21 Zusammenfassung 21 Synthetische Biologieals Bottom-up Pendantzum klassischen Top-down Vorgehen Verständnis und Vorhersagbarkeit der DNA-Struktur ermöglichen Bau definierter Nanostrukturen wiederkehrende, einfache Elemente: Doppelhelix und Crossover- Strukturen DNA Origamis: variabel programmierbar räumliche Kontrolle von Struktur und Reaktivität derivatisierbar und funktionalisierbar 21

22 Wo kann ich mehr erfahren? 22 Perspektivpapier'Synthetische Biologie' der DFG (Wiley-VCH 2009) Die ursprüngliche Referenz zu DNA-Origami: Rothemund (2006) Nature 440, Review DNA-Origami: Saccà & Niemeyer (2012) Angewandte Chemie 51, Peptid-Origami: Fletcher et al.(2013) Science 340, Handout und obige Referenzen: 22

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24 Gebogene DNA-Nanostrukturen 24 Dietz et al. erzeugten verdrillte und gebogene DNA-Nanostrukturen: Verdrillung: linkshändig rechtshändig Biegung: Dietz et al. Science