Wissenschaftler haben die kleinste Antenne gebaut, die je gebaut wurde – nur fünf Nanometer lang. Im Gegensatz zu seinen viel größeren Gegenstücken, die wir alle kennen, ist dieses winzige Ding nicht dafür gemacht, Radiowellen zu übertragen, sondern die Geheimnisse sich ständig verändernder Proteine zu lüften.
Die Nanoantenne besteht aus DNA, den Molekülen, die genetische Anweisungen tragen, die etwa 20.000 Mal kleiner sind als ein menschliches Haar. Es ist auch fluoreszierend, was bedeutet, dass es Lichtsignale verwendet, um Informationen aufzuzeichnen und zurückzugeben.
Und diese Lichtsignale können verwendet werden, um die Bewegung und Veränderung von Proteinen in Echtzeit zu untersuchen.
Ein Teil der Innovation dieser speziellen Antenne ist die Art und Weise, wie ihr Empfängerteil auch verwendet wird, um die molekulare Oberfläche des untersuchten Proteins zu erfassen. Dies führt zu einem deutlichen Signal, wenn das Protein seine biologische Funktion erfüllt.
„Wie ein Funkgerät, das sowohl Funkwellen empfangen als auch senden kann, empfängt die fluoreszierende Nanoantenne Licht in einer Farbe oder Wellenlänge und sendet abhängig von der Proteinbewegung, die sie wahrnimmt, Licht in einer anderen Farbe zurück, die wir erkennen können. “, sagt 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 wichtigen Aufgaben erfüllen, von der Unterstützung des Immunsystems bis hin zur Regulierung der Organfunktion.
Während Proteine jedoch ihre Arbeit überstürzen, unterliegen sie ständigen Strukturänderungen und wechseln von Zustand zu Zustand in einem hochkomplexen Prozess, den Wissenschaftler Proteindynamik nennen. Und wir haben nicht wirklich gute Werkzeuge, um diese Proteindynamik in Aktion zu verfolgen.
“Die experimentelle Untersuchung transienter Proteinzustände bleibt eine große Herausforderung, da hochauflösende Techniken, einschließlich Kernspinresonanz und Röntgenkristallographie, oft nicht direkt auf die Untersuchung kurzlebiger Proteinzustände angewendet werden können”, erklärt das Team in ihrer Arbeit.
Die neueste DNA-Synthesetechnologie – rund 40 Jahre Entwicklungszeit – ist in der Lage, maßgeschneiderte Nanostrukturen unterschiedlicher Länge und Flexibilität herzustellen, die auf die erforderlichen Funktionen optimiert sind.
Ein Vorteil dieser superkleinen DNA-Antenne gegenüber anderen Analysetechniken besteht darin, dass sie sehr kurzlebige Proteinzustände erfassen kann. Das bedeutet, so die Forscher, dass es hier viele potenzielle Anwendungen gibt, sowohl in der Biochemie als auch in der Nanotechnologie im Allgemeinen.
„Wir konnten zum Beispiel erstmals die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase mit einer Vielzahl von biologischen Molekülen und Medikamenten in Echtzeit nachweisen“, sagt der Chemiker Scott Harroun von der UdeM. “Dieses Enzym ist an vielen Krankheiten beteiligt, darunter verschiedene Krebsarten und Darmentzündungen.”
Bei der Erforschung der „Universalität“ ihres Designs testete das Team ihre Antenne erfolgreich mit drei verschiedenen Modellproteinen – Streptavidin, alkalische Phosphatase und Protein G – aber es kann noch viel mehr kommen, und einer der Vorteile der neuen Antenne ist ihre Vielseitigkeit .
„Mit Nanoantennen können verschiedene biomolekulare Mechanismen in Echtzeit überwacht werden, einschließlich kleiner und großer Konformationsänderungen – im Prinzip jedes Ereignis, das die Fluoreszenzemission des Farbstoffs beeinflussen kann“, schreibt das Team in seiner Arbeit.
DNA wird immer beliebter als Baustein, den wir synthetisieren und manipulieren können, um Nanostrukturen wie die Antenne in dieser Studie zu erzeugen. DNA-Chemie ist relativ einfach zu programmieren und nach der Programmierung einfach zu verwenden.
Die Forscher wollen nun ein kommerzielles Startup gründen, damit die Nanoantennen-Technologie praktisch verpackt und von anderen genutzt werden kann, seien es pharmazeutische Organisationen oder andere Forschungsteams.
„Was uns vielleicht am meisten begeistert, ist die Erkenntnis, dass viele Labore auf der ganzen Welt, die mit einem herkömmlichen Spektrofluorometer ausgestattet sind, diese Nanoantennen ohne weiteres einsetzen könnten, um ihr Lieblingsprotein zu untersuchen, beispielsweise um neue Medikamente zu identifizieren oder neue Nanotechnologien zu entwickeln“, sagt Vallée -Bélisle.
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturmethoden.