Wissenschaftler haben die kleinste jemals gebaute Antenne gebaut – nur fünf Nanometer lang. Im Gegensatz zu seinen viel größeren Brüdern, mit denen wir alle vertraut sind, ist dieses winzige Ding nicht dafür ausgelegt, Radiowellen zu übertragen, sondern die Geheimnisse sich ständig verändernder Proteine zu ernten.
Die Nanoantenne besteht aus DNA , Molekülen mit genetischen Anweisungen, 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 übertragen.
Und diese Lichtsignale können genutzt werden, um die Bewegung und Veränderung von Proteinen in Echtzeit zu untersuchen.
Ein Teil der Innovation bei dieser speziellen Antenne besteht darin, dass ihr Empfangsteil auch verwendet wird, um die molekulare Oberfläche des zu untersuchenden Proteins zu bestimmen. Dies führt zu einem deutlichen Signal, wenn das Protein seine biologische Funktion erfüllt.
„Wie ein Funkgerät, das Funkwellen sowohl empfangen als auch senden kann, empfängt eine fluoreszierende Nanoantenne Licht einer Farbe oder Wellenlänge und sendet dann abhängig von der Bewegung des Proteins, das sie wahrnimmt, Licht einer anderen Farbe zurück, die wir können erkennen. sagt der Chemiker Alexis Vallee-Belil von der Universität Montreal (UdeM) in Kanada.
Die Aufgabe einer Antenne besteht insbesondere darin, strukturelle Veränderungen von Proteinen über die Zeit zu messen. Proteine sind große, komplexe Moleküle, die im Körper alle möglichen grundlegenden Aufgaben erfüllen, von der Unterstützung des Immunsystems bis hin zur Regulierung von Organfunktionen.
Wenn Proteine jedoch ihre Arbeit erledigen, unterliegen sie ständigen Strukturänderungen und bewegen sich in einem hochkomplexen Prozess, den Wissenschaftler als Proteindynamik bezeichnen, von Zustand zu Zustand . Und wir haben keine guten Tools, um die Proteindynamik in Aktion zu verfolgen.
„Die experimentelle Untersuchung von Protein-Übergangszuständen bleibt eine große Herausforderung, da Techniken mit hoher Strukturauflösung, einschließlich Kernspinresonanz und Röntgenkristallographie, oft nicht direkt zur Untersuchung kurzlebiger Proteinzustände angewendet werden können“ , erklärt das Team in seiner Veröffentlichung .
Die neueste DNA-Synthesetechnologie, die seit etwa 40 Jahren entwickelt wird, ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen unterschiedlicher Länge und Flexibilität, die für die Erfüllung der erforderlichen Funktionen optimiert sind.
Einer der Vorteile dieser ultrakleinen DNA-Antenne gegenüber anderen Analysemethoden ist, dass sie sehr kurzlebige Proteinzustände erfassen kann. Daraus ergeben sich laut den Forschern viele Anwendungsmöglichkeiten, sowohl in der Biochemie als auch in der Nanotechnologie im Allgemeinen.
„Zum Beispiel konnten wir zum ersten Mal die Funktion des Enzyms alkalische Phosphatase in Echtzeit mit verschiedenen biologischen Molekülen und Medikamenten bestimmen“, sagt UdeM-Chemiker Scott Harrowne. „Dieses Enzym ist an vielen Krankheiten beteiligt, darunter verschiedene Krebsarten und Darmentzündungen.“
Das Team untersuchte die „Vielseitigkeit“ ihres Designs und testete ihre Antenne erfolgreich mit drei verschiedenen Modellproteinen – Streptavidin, alkalische Phosphatase und Protein G –, aber möglicherweise kommt noch mehr, und einer der Vorteile der neuen 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 eines Farbstoffs beeinflussen kann“ , schreibt das Team in seinem Artikel .
DNA wird immer beliebter als Baustein, den wir synthetisieren und manipulieren können, um Nanostrukturen wie die Antenne in dieser Studie herzustellen. Die DNA-Chemie ist relativ einfach zu programmieren und nach der Programmierung einfach zu verwenden.
Die Forscher zielen nun darauf ab, ein kommerzielles Startup zu gründen, damit die Nanoantennentechnologie praktisch verpackt und von anderen genutzt werden kann, seien es pharmazeutische Organisationen oder andere Forschungsgruppen.
„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 können, um ihr Lieblingsprotein zu untersuchen, um beispielsweise neue Medikamente zu identifizieren oder neue Nanotechnologien zu entwickeln “, sagt Valle. – Belle .
Die Studie ist in der Fachzeitschrift Nature Methods erschienen .
