Wissenschaftler haben die kleinste Antenne der Welt gebaut, und sie besteht aus DNA

Wissenschaftler haben die kleinste Antenne aller Zeiten gebaut – 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, Moleküle, 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 zu melden.

Und mit diesen Lichtsignalen kann man die Bewegung und Veränderung von Proteinen in Echtzeit studieren.

Ein Teil der Innovation dieser speziellen Antenne besteht darin, dass ihr Rezeptorteil auch verwendet wird, um die molekulare Oberfläche des untersuchten Proteins zu erkennen. 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 entsprechend der Bewegung der Proteine, die sie erkennt, das Licht in einer anderen Farbe weiter, die wir erkennen kann“, sagt der Chemiker Alexis Vallée-Bélisle, von der Université de Montréal (UdeM) in Kanada.

Konkret besteht die Aufgabe der Antenne darin, strukturelle 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.

Da Proteine ​​jedoch ihre Arbeit eilig erledigen, unterliegen sie ständigen strukturellen Veränderungen und bewegen sich in einem sehr komplexen Prozess, den Wissenschaftler nennen . von Zustand zu Zustand Proteindynamik. Und wir haben nicht wirklich die richtigen Werkzeuge, um die Dynamik dieser Proteine ​​in Aktion zu verfolgen.

„Die experimentelle Untersuchung von Übergangszuständen von Proteinen bleibt eine große Herausforderung, da Techniken mit hoher Strukturauflösung, einschließlich Kernspinresonanz und Röntgenkristallographie, oft nicht direkt auf die Untersuchung kurzlebiger Proteinzustände angewendet werden können“, sagte das Team. erklärt in seinem Artikel.

Die neueste DNA-Synthesetechnologie – rund 40 Jahre Entwicklungszeit – ist in der Lage, maßgeschneiderte Nanostrukturen unterschiedlicher Länge und Flexibilität herzustellen, die auf die Erfüllung ihrer erforderlichen Funktionen optimiert sind.

Einer der Vorteile dieser sehr kleinen DNA-Antenne gegenüber anderen Analysetechniken besteht darin, dass sie Proteinzustände von sehr kurzer Dauer erfassen kann. Daraus ergeben sich laut den Forschern viele Anwendungsmöglichkeiten, sowohl in der Biochemie als auch in der Nanotechnologie im Allgemeinen.

„Wir konnten zum Beispiel erstmals in Echtzeit die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase mit einer Vielzahl von biologischen Molekülen und Medikamenten nachweisen“, sagt der Chemiker Scott Harroun, von UdeM. „Dieses Enzym ist an vielen Krankheiten beteiligt, darunter verschiedene Krebsarten und Darmentzündungen.“

Während das Team die „Universalität“ ihres Designs erforschte, testete das Team ihre Antenne erfolgreich mit drei verschiedenen Modellproteinen – Streptavidin, alkalische Phosphatase und Protein G – aber es könnte noch viel mehr kommen und einer der wenigen Vorteile der neue Antenne ist ihre Vielseitigkeit.

„Nanoantennen können verwendet werden, um verschiedene biomolekulare Mechanismen in Echtzeit zu überwachen, einschließlich kleiner und großer Konformationsänderungen – im Prinzip jedes Ereignis, das die Fluoreszenzemission des Farbstoffs beeinflussen kann“, sagte das Team. in seinem Tagebuch geschrieben.

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.

Forscher möchten nun ein kommerzielles Startup gründen, damit die Nanoantennentechnologie praktisch verpackt und von anderen verwendet 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 problemlos verwenden könnten, um ihr Lieblingsprotein zu untersuchen, um beispielsweise neue Medikamente zu identifizieren oder neue zu entwickeln. sagt Vallée-Bélisle.

Die Studie wurde veröffentlicht in Natürliche Methoden.