Nanokäfige im Labor und im Computer

Nanokäfige im Labor und im Computer

Physik-News vom 18.10.2018

Nanokäfige sind hochinteressante molekulare Strukturen mit Hohlräumen, die z.B. in der Medizin als Träger kleinerer Moleküle genutzt werden können. Kurze Abschnitte des DNA-Moleküls sind perfekte Kandidaten für das kontrollierbare Design neuartiger Nanokäfige, der DNA-basierten Dendrimere. Wie man diese robusten und stabilen Objekte mit kontrollierbaren Eigenschaften erzeugen kann, haben PhysikerInnen von der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Kolleginnen und Kollegen von der TU Wien, vom Foschungszentrum Jülich sowie von der Cornell University im Labor und mittels detaillierter Computersimulationen untersucht. Ihre Ergebnisse werden in der renommierten Zeitschrift "Nanoscale" veröffentlicht.

Nanokäfige sind hochinteressante molekulare Strukturen, sowohl aus der Sicht der Grundlagenforschung als auch in Hinblick auf mögliche Anwendungen. Die Hohlräume dieser nanometergroßen Objekte können als Träger kleinerer Moleküle genutzt werden, was in der Medizin für den Medikamenten- oder Gentransport in lebenden Organismen entscheidend ist. Diese Idee brachte Forscher aus verschiedenen interdisziplinären Bereichen zusammen, die Dendrime – besondere chemische Verbindungen – als vielversprechende Kandidaten für die Herstellung solcher Nanoteilchen-Träger untersuchen.

Die baumartige Architektur der Dendrimere und ihr schrittweises Wachstum mit sich wiederholenden, selbstähnlichen Einheiten erlauben die Ausformung von Hohlräumen mit kontrollierbarem Design. Jahrzehntelange Forschungen haben jedoch gezeigt, dass eine Vielzahl von verschiedenen Dendrimer-Arten mit zunehmenden Dendrimergenerationen eine Rückfaltung der äußeren Äste erfahren, was zu einer höheren Dichte der Bestandteile im Inneren des Moleküls führt. Die Wirkung des Rückfaltens wird durch Zugabe von Salz in die Lösung verstärkt, wodurch flexible Dendrimere stark schrumpfen und zu kompakten Objekten ohne Hohlräume in deren Innerem werden.


DNA-basiertes Dendrimer der fünften Generation, eingetaucht in eine Gegenionenlösung. Regelmäßige Hohlräume im Inneren dieses neuartigen Makromoleküls können als Nanoteilchen-Träger eingesetzt werden

Publikation:


Clemens Jochum, Nataša Adžić, Emmanuel Stiakakis, Thomas L. Derrien, Dan Luo, Gerhard Kahl, and Christos N. Likos
Structure and stimuli-responsiveness of all-DNA dendrimers: theory and experiment
Nanoscale (2018)

DOI: 10.1039/C8NR05814H



Das Team um Nataša Adžić und Christos Likos von der Universität Wien, Clemens Jochum und Gerhard Kahl (TU Wien), Emmanuel Stiakakis (Forschungszentrum Jülich, Deutschland) und Thomas Derrien und Dan Luo (Cornell University, USA) fand einen Weg, Dendrimere zu erzeugen, die so starr sind, dass eine Rückfaltung der äußeren Arme auch bei hohen Verzweigungsgenerationen verhindert wird. Somit bleiben regelmäßige Hohlräume in ihrem Inneren erhalten. Darüber hinaus zeichnen sich die neuartigen Makromoleküle durch eine bemerkenswerte Resistenz gegen Salzzusatz aus: Die WissenschafterInnen zeigten, dass die Morphologie und Konformationseigenschaften dieser Systeme auch bei Zugabe von Salz selbst in hoher Konzentration unbeeinflusst bleiben.

Die Nanokäfige, die sie im Labor und am Computer erzeugten, sind DNA-basierte Dendrimere, sogenannte Dendrimer-ähnliche DNAs (DL-DNA). Der Baustein, aus dem sie bestehen, ist eine Y-förmige doppelsträngige DNA-Einheit, eine dreiarmige Struktur aus doppelsträngiger DNA (ds-DNA). Diese wird durch Hybridisierung von drei einzelsträngigen DNA-Ketten (ss-DNA), die jeweils teilweise komplementäre Sequenzen zu den beiden anderen aufweisen, gebildet. Jeder Arm besteht aus 13 Basenpaaren und einem einzelsträngigen Klebeende mit vier Nukleinbasen, welches als Klebstoff fungiert. Während eine einzelne Y-DNA der ersten Dendrimer-Generation entspricht, ergibt das Anhängen weiterer Y-DNA-Elemente DL-DNA höherer Generationen. Das resultierende Dendrimer ist eine geladene makromolekulare Anordnung mit Hohlräumen und baumartiger Architektur. Aufgrund der Steifigkeit der dsDNA sind die Zweige der DL-DNA ziemlich starr, so dass das gesamte Molekül starr ist. Da DNA geladen ist, erhöht die elektrostatische Abstoßung zusätzlich die Steifigkeit des Moleküls.


Die Jung-WissenschafterInnen Nataša Adžić und Clemens Jochum.

DL-DNA-Moleküle wurden im Labor von den PartnerInnen in Jülich und Cornell mit bemerkenswerter Kontrolle und Sub-Nanometer-Präzision durch programmierbare Klebeende-Kohäsionen zusammengesetzt. Ihr schrittweises Wachstum ist in hohem Maß kontrollierbar, unidirektional und nicht umkehrbar. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung, da gezeigt werden konnte, dass DNA-basierte Dendrimere eine vielversprechende Rolle bei der Entwicklung von nanogroßen Barcodes, DNA-basierten Impfstofftechnologien sowie von strukturellen Proben mit multiplexierten molekularen Sensorprozessen spielen sollen.

Größen, Formen sowie weitere für die ExperimentalphysikerInnen unsichtbare konformative Details wie die Größe der Hohlräume und der Grad der Rückfaltung der Äste wurden in Wien durch Computersimulationen analysiert. Um die komplexe Struktur von DNA-Einheiten zu beschreiben, verwendete die Gruppe ein Monomer-aufgelöstes Modell mit sorgfältig ausgewählten Wechselwirkungen, um die Gleichgewichtseigenschaften der DNA in physiologischer Lösung nachzuahmen. Die ausgezeichnete Übereinstimmung zwischen Experimenten und Simulationen für die Dendrimer-Eigenschaften bestätigt die verwendeten theoretischen Modelle und ebnet den Weg für die weitere Untersuchung der Eigenschaften von Nanokäfigen und ihrer Anwendungen als Nanoteilchen-Träger und als Bausteine für die Entwicklung biokompatibler künstlicher Materialien.



Die Forschung wird vom Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) unter der Projektnummer I 2866-N36 und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter der Projektnummer STI 664/3-1 gefördert.

Diese Newsmeldung wurde mit Material von idw-online erstellt



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Festkörperphysik - Quantenoptik
Ein Wimpernschlag vom Isolator zum Metall
Dank der geschickten Kombination neuartiger Technologien lassen sich vielversprechende Materialien für die Elektronik von morgen untersuchen.
16.04.2018
Festkörperphysik
Echtzeit Schichtdickenmessung mit Terahertz
Terahertz ist eine Schlüsseltechnik für die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.
11.04.2018
Festkörperphysik
Waldbrände in Kanada sorgen für stärkste jemals gemessene Trübung der Stratosphäre über Europa
Waldbrände können die Sonneneinstrahlung in der oberen Atmosphäre noch stärker trüben als Vulkanausbrüche.
10.04.2018
Festkörperphysik
Neue Methode für Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen / Atomar definierte Mess-Spitze
Nanowissenschaftler der WWU zeigen nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ veröffentlichten Studie, wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können. Die neue Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie.
10.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Fraunhofer INT und Fraunhofer Space auf der ILA 2018: Bestrahlungstests und Satellitentechnologie
Auf der ILA 2018 in Berlin präsentiert das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT am Stand 202 in Halle 4 den Nachbau einer Co-60-Bestrahlungsanlage und bestrahlte Materialproben, die den Einfluss von Strahlung auf verschiedene Materialien veranschaulichen.
09.04.2018
Festkörperphysik
Winzige Nanomaschine absolviert erfolgreich Probefahrt
Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar in Bonn haben mit Kollegen aus den USA aus Nanostrukturen eine winzige Maschine konstruiert, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann.
06.04.2018
Festkörperphysik - Quantenoptik
Winzige Strukturen – große Wirkung
Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung
05.04.2018
Festkörperphysik
Neuer Weg zu atomar dünnen Materialien
Weg mit dem Silizium: Titancarbid-Nanoplättchen aus Titansiliziumcarbid durch selektives Ätzen
03.04.2018
Festkörperphysik
Deutsch-französisches Forscherteam entdeckt „Anti-aging“ in metallischen Gläsern
Metallische Gläser unterliegen derselben natürlichen Entwicklung wie wir Menschen: sie altern.
03.04.2018
Festkörperphysik - Quantenphysik
Von der Quantenebene zur Autobatterie
Neue Entwicklungen brauchen neue Materialien.
03.04.2018
Elektrodynamik - Festkörperphysik
Ein Drittel des Sonnenlichts in Strom wandeln – 33,3 Prozent Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben gemeinsam mit der Firma EVG eine neue Mehrfachsolarzelle auf Silicium entwickelt, mit der genau ein Drittel der im Sonnenlicht enthaltenen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.
29.03.2018
Festkörperphysik
Die Grenzen der Haftung
Konstanzer Physiker können in Kollaboration mit italienischen Fachkollegen zeigen, dass die Haftreibung zwischen Oberflächen völlig verschwinden kann
26.02.2018
Festkörperphysik
Sonnenkonzentrat aus der Folie
Bisher sind es nur Zukunftsvisionen: Farbige Hausfassaden etwa, die auch bei miesem Wetter Sonnenstrom produzieren, oder Elektroautos, die ihre Batterien selbst im Schatten mit solaren Ampères laden können.
11.07.2017
Festkörperphysik
Wie ein Material zum Supraleiter wird: Phänomen der Elektronenpaare beobachtet
Hochtemperatur-Supraleiter sind Materialien, die bei tiefen Temperaturen ihren elektrischen Widerstand verlieren und damit Strom ohne Verlust transportieren können - und das im Gegensatz zu konventionellen Supraleitern bereits bei vergleichsweise hohen Temperaturen.
30.06.2017
Festkörperphysik
TU Ilmenau und Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickeln neue Waage für das neue Kilogramm
Wenn nächstes Jahr, 2018, das Kilogramm neu definiert wird, werden die Technische Universität Ilmenau und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt die Waage entwickelt haben, die nötig ist, um es zu messen: die Planck-Waage.
30.06.2017
Festkörperphysik
Mainzer Physiker gewinnen neue Erkenntnisse über Nanosysteme mit kugelförmigen Einschränkungen
Großes Potenzial für Anwendungen in der gezielten Pharmakotherapie und zur Herstellung maßgeschneiderter Nanoteilchen
23.11.2015
Festkörperphysik - Klassische Mechanik
Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?
Mantelplume setzte das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte in Gang.
30.01.2015
Festkörperphysik - Quantenphysik - Relativitätstheorie
Wie allgemein ist die Allgemeine Relativitätstheorie?
Egal ob Feder, Apfel oder Ziegelstein: Im Vakuum, wenn es keine Reibung mehr gibt und nur noch die Gravitation wirkt, fallen alle Körper gleich schnell.

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30.11.2020
Monde - Astrophysik
Laborexperimente könnten Rätsel um Mars-Mond Phobos lösen
Was lässt die Oberfläche des Mars-Monds Phobos verwittern? Ergebnisse der TU Wien liefern wichtige Erkenntnisse, bald soll eine Weltraummission Gesteinsproben nehmen.