In allen lebenden Organismen dient DNA als Träger der Erbinformation und bildet die Grundlage zur Synthese von Proteinen. Seit mehr als zwei Jahrzehnten ist jedoch auch bekannt, dass DNA-Stränge als programmierbare molekulare Bausteine die Konstruktion komplexer, nanoskopischer Strukturen ermöglichen. Mithilfe der kürzlich entwickelten DNA-Origami -Methode können DNA-basierte Nanokonstrukte in allen erdenklichen dreidimensionalen Formen mit Nanometer-Präzision gefertigt werden. Dies wird möglich durch einen Selbstorganisationsprozess der DNA: einzelsträngige, mehrere tausend Basen lange Phagen-DNA wird durch einige hundert kurze Oligonukleotide in die gewünschte Struktur gefalten. Auf diese Weise können viele Billionen  gleicher Kopien eines DNA-Objektes hergestellt werden, das in Größe und Form exakt dem am Computer erstellten Bauplan entspricht.

In einer aktuellen Studie entwickelte ein Team um den NIM Wissenschaftler Prof. Tim Liedl ein DNA-Origami-Konstrukt, das als Trägersystem zur gezielten Immunstimulation lebender Zellen dient. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Carole Bourquin am Klinikum der Universität München (KUM) untersuchten die Biophysiker dabei speziell, ob die DNA-Nanostrukturen das Immunsystem stimulieren und ob sie möglicherweise Gewebezellen schädigen, also zytotoxisch wirken.

Unser angeborenes Immunsystem kann invasive Organismen wie Viren und Bakterien über eine spezifische DNA Sequenz erkennen. Diese kommt im Genom von Viren und Bakterien deutlich häufiger vor als im Genom von Wirbeltieren. DNA Stränge, die diese Sequenz enthalten, werden Cytosin-Phosphat-Guanin Oligodinukleotide (CpG ODN) genannt. Sobald Zellen des Immunsystems den DNA-Abschnitt „CpG ODN“ via Endozytose aufnehmen, wird dieser durch den Toll-Like Rezeptor 9 (TLR-9) erkannt und das Immunsystem aktiviert. Bekanntheit erlangten Toll-Like Rezeptoren vor kurzem durch die Verleihung des Nobelpreises in Medizin 2011 an Bruce Beutler und Jules Hoffmann für ihre entscheidenden Arbeiten an der Erforschung dieser Rezeptoren. 

Zusammen mit ihren Kollegen entwarf Verena Schüller von der Gruppe um Tim Liedl eine Origamistruktur, die bis zu 62 DNA-Andockpunkte bereitstellt. Diese Struktur fungierte dann als effizientes und zugleich nicht-toxisches Trägersystem, mit dem die synthetisch hergestellte DNA-Sequenz CpG ODN in die Zellen des Immunsystems geschleust wurden. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Bourquin konnte die immunstimulatorische Wirkung dieser DNA-Komplexe erfolgreich nachgewiesen werden. Die Wissenschaftler maßen dazu die einsetzende Interleukin-Sekretion der Zellen als Indikator der Aktivierung des Immunsystems. Eine zukünftige Verwendung solcher DNA-Strukturen wäre denkbar in der Entwicklung neuartiger und nicht-toxischer pharmazeutischer Hilfsstoffe (Adjuvanzien)  für Impfstoffe oder als Trägersystem in der Krebs-Immuntherapie.

 Link zur Gruppe von Tim Liedl