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NIM nanosystems initiative munich
Meldung

Thursday, 06 December, 2012

Icy insights into 3D-DNA objects

Cryo-electron microscopy allows accurate analysis of complex 3D DNA objects

With nature as their model scientists are developing nanoobjects for a number of years. One goal is the construction of artifical enzymes. The mostly entangled 3D-structures are built from artificial DNA strands and hard to examine. Now a team around the NIM scientist Hendrik Dietz (TU München) was able to simulate and syntetise a particular complex object and finally to analyse it via Cryo-electron microscopy (Cryo-EM).

Im Laufe der Evolution hat die Natur hochentwickelte Nanomaschinen gebildet, zu denen die große Gruppe der Enzyme zählt. Diese oft sehr komplexen Moleküle setzen sich aus Aminosäure-Ketten zusammen und katalysieren in jedem Lebewesen unzählige biochemische Reaktionen. Einige Enzyme lassen sich bereits heute aus Organismen isolieren und zum Beispiel in Waschmitteln, in der Käseherstellung oder beim Bierbrauen einsetzen.

Wissenschaftler arbeiten auch daran, künstliche Nanomaschinen zu entwickeln, z.B für Anwendungen in der Chemie oder Medizin. Der Aufbau aus Aminosäuren birgt viele Hindernisse, so dass Wissenschaftler auf die Idee kamen, die Nanomaschinen aus DNA zu konstruieren. Dabei setzen sie die DNA nicht in ihrer Funktion als Erbgut ein, sondern nutzen die Stränge lediglich als Baumaterial. Seit rund 20 Jahren wird intensiv daran gearbeitet, aus DNA-Strängen immer komplexere Strukturen aufzubauen.

Dem NIM-Wissenschaftler Prof. Hendrik Dietz und seinem Team an der TU München sind nun wichtige Schritte auf dem Weg zu künstlichen Nanomaschinen gelungen. Gemeinsam mit Kollegen des MRC Laboratory for Molecular Biology in Cambridge entwickelten die Biophysiker zunächst eine komplexe Struktur mit rund 50 Nanometer Durchmesser die in etwa zweimal so groß wie ein bakterielles Ribosom ist. Anschließend synthetisierten sie das aus 165 DNA-Strängen bestehende 3D-Gebilde im Labor. Und in einem letzten Schritt gelang es ihnen, das Produkt mittels Cryo-Elektronenmikroskopie bis ins kleinste Detail zu analysieren. Dazu wurden die Partikel in amorphem Eis schockgefrostet, um ihre native Struktur nicht zu beschädigen.

Die Ergebnisse von Hendrik Dietz und seinen Kollegen sind ein wichtiger Schritt hin zu klar definierten, komplexen DNA-basierten Nanostrukturen. Bisher gab es keine hochauflösende Strukturinformation für diskrete DNA-basierte Nanostrukturen, der Grad an erreichbarer Positioniergenauigkeit war somit unklar. Wie weit die Einsatzmöglichkeiten künstlicher DNA Nanostrukturen reichen, zeigt eine von Hendrik Dietz und NIM Kollege Friedrich Simmel und ihren Mitarbeitern vor kurzem in Science erschienene Arbeit: synthetische Membran-Kanäle auf DNA-Basis (Science 16 November 2012).

 

Publikation:
Bai XC et al., Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object, PNAS November 19, 2012


Kontakt:

Prof. Hendrik Dietz
Technische Universität München
Physics Dept., Walter Schottky Institute / ZNN
Am Coulombwall 4a
85748 Garching, Germany

Tel: +49 89 289 11615
EMail: dietz(at)tum.de
Web: bionano.physik.tu-muenchen.de


Bildbeschreibung:

Cryo-Elektronenmikroskopie (EM) Struktur eines 3D-DNA-Origami Objektes

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