Förderprojekte

Förderbeginn 01.07.2012

Programmierung dynamischer Assemblierungs-Reaktionen von Nukleinsäure-Strukturen durch biochemische Signalverarbeitung: ein Schritt Richtung Design und Synthese von rekonfigurierbaren Biomaterialien

Prof. Dr. Friedrich Simmel
Technische Universität München
Lehrstuhl für Physik E14 - Bioelektronik

Prof. Elisa Franco
University of California, Riverside
Department of mechanical Engineering

Die Zusammenarbeit zwischen dem Franco-Labor an der UC Riverside und dem Simmel-Labor an der TU München zielt auf die Realisierung von synthetischen molekularen Schaltungen ab, die den Aufbau von nukleinsäurebasierten Nanostrukturen steuern. In der Vergangenheit wurde bereits vielfach gezeigt, dass DNA-Moleküle hervorragende Komponenten für den Aufbau von molekularen Nanostrukturen sind. Darüber hinaus wurde DNA auch dazu verwendet, molekulare Schaltkreise aufzubauen, die logische Funktionen ausführen können oder interessantes dynamisches Verhalten wie etwa Bistabilität oder Oszillationen zeigen können. Diese Aspekte künstlicher DNA-basierter molekularer Systeme werden in dem Projekt zusammengeführt, indem DNA-basierte Schaltungen für die räumlich-zeitliche Kontrolle der Assemblierungswege von DNA-Nanostrukturen verwendet werden. Unter anderem wird dabei angestrebt, ähnlich zu dynamischen biologischen Assemblierungsreaktionen in lebenden Zellen den Auf- und Abbau von DNA-basierten supramolekularen Strukturen von spezifischen Umweltreizen abhängig zu machen.

Abschlussbericht
Lebende Zellen wachsen, teilen sich und passen ihre Form dank flexibler und responsiver selbstorganisierender Gerüststrukturen an, die zusammengefasst als Zytoskelett bezeichnet werden. Inspiriert von natürlichen Prozessen sollten in diesem BaCaTec-Projekt neuartige Designprinzipien und -methoden für den Aufbau von Nukleinsäure-Strukturen geschaffen werden, die durch molekulare Signale gesteuert werden können. Solche Strukturen könnten für vielfältige Anwendungen in der synthetischen Biologie, der Materialwissenschaft und in „künstlichem Leben“ nützlich sein. Nukleinsäuren sind hierfür ein ideales biomolekulares „Baumaterial“, da die Wechselwirkungen zwischen DNA- und RNA-Molekülen durch das Design ihrer Basensequenzen rational programmierbar sind. Im Rahmen der BaCaTec-Förderung wurde eine Zusammenarbeit zwischen UC Riverside (Franco) und der Technischen Universität München (Simmel) etabliert. Die BaCaTec-Förderung unterstützte insbesondere zwei Doktoranden (Leopold Green und Maximilian Weitz), die beide Forschungsaufenthalte an den jeweiligen Partnerinstituten durchführten. Diese Besuche ermöglichten die Entwicklung von experimentellen Protokollen, Modellierungstechniken und Designmethoden für a) die Kompartimentierung komplexer molekulare Schaltkreise in Emulsionströpfchen, die die Funktion von molekularen Zeitgebern und Musterbildnern in künstlichen Zellen haben können [1,2]; b) die Erzeugung von molekularen Oszillatoren, die eine vorhersagbare Periode und Amplitude aufweisen [3]; c) den Bau von DNA-Nanoröhren, deren Zusammenbau und Zerlegung durch DNA- oder RNA-Input, pH-Wert und molekulare Schaltkreise kontrolliert werden können [4,5]. Die nächsten Schritte des Projekts umfassen 1) die Verkapselung sowohl von DNA-Gerüsten als auch von Schaltkreisen innerhalb von Tröpfchensystemen und Vesikeln, um mechanisch reagierende zellenartige Kompartimente aufzubauen, und 2) die Etablierung von molekularen Kommunikationswegen zwischen den Kompartimenten, um raumzaeitliche Muster generieren zu können, die an das künstliche Zytoskelett gekoppelt sind, und mithin enticklungsbiologische Prozesse imitieren können. Referenzen [1] & [3] waren unmittelbare Konsequenzen der Zusammenarbeit, die Veröffentlichungen [2,4,5] resultierten aus den Ideen, die während des ursprünglichen Förderzeitraums entwickelt wurden.

[1] Weitz, M., Kim, J., Kapsner, K., Winfree, E., Franco, E., & Simmel, F. C. (2014). Diversity in the dynamical behaviour of a compartmentalized programmable biochemical oscillator. Nature Chemistry, 6(4), 295-302.
[2] Dupin, A. and Simmel, F.C., 2019. Signalling and differentiation in emulsion-based multi-compartmentalized in vitro gene circuits. Nature Chemistry, 11(1), 32-39.
[3] Schwarz-Schilling, M., Kim, J., Cuba, C., Weitz, M., Franco, E., & Simmel, F. C. (2016). Building a Synthetic Transcriptional Oscillator. In Cell Cycle Oscillators (pp. 185-199). Humana Press, New York, NY.
[4] Green, L.N., Amodio, A., Subramanian, H.K., Ricci, F. and Franco, E., 2017. pH-driven reversible self-assembly of micron-scale DNA scaffolds. Nano Letters, 17(12), 7283-7288.
[5] Green, L.N., Subramanian, H.K., Mardanlou, V., Kim, J., Hariadi, R.F., and Franco, E., 2019. Autonomous control of DNA nanostructure self-assembly. Nature Chemistry, 11(1), in press.