Florian Praetorius och prof. Hendrik Dietz vid Tekniska universitetet i München (TUM) har utvecklat en ny metod som kan användas för att konstruera anpassade hybridstrukturer med hjälp av DNA och proteiner. Metoden öppnar nya möjligheter för grundforskning inom cellbiologi och för tillämpningar inom bioteknik och medicin.

Desoxiribonukleinsyra, mer känd genom sin förkortning DNA, bär vår genetiska information. Men till prof. Hendrik Dietz och Florian Praetorius från TUM, DNA är också ett utmärkt byggmaterial för nanostrukturer. Att vika DNA för att skapa tredimensionella former med en teknik som kallas "DNA-origami" är en sedan länge etablerad metod i detta sammanhang.

Men det finns gränser för detta tillvägagångssätt, förklarar Dietz. "Byggarbetet" sker alltid utanför biologiska system och många komponenter måste syntetiseras kemiskt. "Att skapa användardefinierade strukturer i storlekar i storleksordningen 10 till 100 nanometer inuti en cell är fortfarande en stor utmaning, ", tillägger han. Deras nyutvecklade teknik gör det nu möjligt för forskarna att använda proteiner för att vika dubbelsträngat DNA till önskade tredimensionella former. Här, både DNA och de nödvändiga proteinerna kan kodas genetiskt och produceras inuti celler.

Proteiner fungerar som stapelvaror

Designade "stapelproteiner" baserade på TAL-effektorer är nyckeln till metoden. TAL-effektorer produceras i naturen av vissa bakterier som infekterar växter och kan binda till specifika sekvenser i växt-DNA, därigenom neutraliserar växtens försvarsmekanismer. "Vi har konstruerat varianter av TAL-proteinerna som samtidigt känner igen två anpassade målsekvenser på olika platser i DNA:t och sedan i princip häftar ihop dem, ", säger Dietz. "Det här var precis den egenskap vi behövde:proteiner som kan häfta ihop DNA."

Den andra komponenten i systemet är en DNA-dubbelsträng som innehåller flera bindningssekvenser som kan kännas igen och länkas av en uppsättning olika stapelproteiner. "I det enklaste fallet kan en slinga skapas genom att binda två punkter till varandra, Praetorius förklarar. "När flera av dessa bindningsställen finns i DNA:t, det är möjligt att bygga mer komplexa former." En väsentlig aspekt av forskarens arbete var därför att bestämma en uppsättning regler för att arrangera själva stapelproteinerna och hur man fördelar bindningssekvenserna på DNA-dubbelsträngen för att skapa den önskade formen.

Nya verktyg för grundforskning

Vad mer, stapelproteinerna fungerar som ankarpunkter för ytterligare proteiner:En metod som kallas genetisk fusion kan användas för att fästa vilken funktionell proteindomän som helst. Hybridstrukturerna gjorda av DNA och proteiner fungerar sedan som ett tredimensionellt ramverk som kan sätta de andra proteindomänerna i en speciell rumslig position. Alla byggstenar för DNA-proteinhybridstrukturerna kan produceras av cellen själv och sedan sätta ihop sig självständigt. Forskarna kunde producera hybriderna i miljöer som liknade celler med utgångspunkt från genetisk information. "Det finns en ganska stor sannolikhet att detta också kommer att fungera i faktiska celler, säger Dietz.

Den nya metoden banar väg för att kontrollera det rumsliga arrangemanget av molekyler i levande system, som möjliggör sondering av grundläggande processer. Till exempel, det antas att det rumsliga arrangemanget av genomet har en betydande inverkan på vilka gener som kan avläsas och hur effektiv läsprocessen är. Det avsiktliga skapandet av loopar med användning av TAL-DNA-hybridstrukturer i genomiskt DNA kan ge ett verktyg för att undersöka sådana processer.

Det skulle också vara möjligt att geometriskt placera en serie proteiner inuti och utanför cellen på anpassade sätt för att undersöka påverkan av rumslig närhet till exempel på informationsbehandling i cellen. Den rumsliga närheten av vissa enzymer skulle också kunna göra processer inom bioteknik mer effektiva. Slutligen, det skulle också vara tänkbart att använda protein-DNA-hybridstrukturer till exempel för att bättre stimulera immunsvaret hos celler, vilket kan bero på det exakta geometriska arrangemanget av flera antigener.

Studien publiceras i tidskriften Vetenskap i dag.