Programmierbarer Membrantransport

Der Transport von Molekülen durch biologische Membranen ist lebenswichtig. In der Natur erfolgt er einerseits durch passiven Transport, die sogenannte Diffusion. „Um Aufgaben zu bewältigen, die allein durch Diffusion nicht gelöst werden können, nutzen biologische Systeme oft mechanische Bewegungen“, sagt Prof. Laura Na Liu.
Beispielsweise nutzen bestimmte Bakterien extrazelluläre kontraktile Injektionssysteme. Diese molekularen Nanomaschinen durchstechen Zielzellen und schleusen so molekulare Fracht ins Zellinnere ein. Ähnlich funktioniert in der Reproduktionsmedizin die intrazytoplasmatische Spermieninjektion, bei der eine Spermienzelle mechanisch in eine Eizelle eingebracht wird. Obwohl sich beide Beispiele in völlig verschiedenen Größenordnungen abspielen, beruhen sie auf einem ähnlichen Prinzip: Mechanische Penetration ermöglicht den direkten Zugang über biologische Membranen hinweg. Forschende der Universität Stuttgart haben dieses Prinzip nun auf ein programmierbares DNA-Nanowerkzeug übertragen.

Funktionsweise der DNA-Origami-Nanospritze

Die Nanospritze verankert sich an Lipidmembranen, durchdringt diese durch eine programmierbare mechanische Bewegung und schleust so molekulare Fracht in synthetische Zielzellen ein. Anschließend zieht sie sich zurück, um die Membranintegrität wiederherzustellen. „Statt sich ausschließlich auf die passive Diffusion durch Nanoporen zu verlassen, ermöglicht das Werkzeug eine aktive räumliche und zeitliche Steuerung des Membrantransports“, sagt Prof. Laura Na Liu.

Das System besteht aus zwei modularen DNA-Origami-Komponenten: einer membranverankernden Basiseinheit und einer beweglichen Nadel, die über einen reversiblen Gleitmechanismus verbunden sind. DNA-Strangverdrängungsreaktionen bewegen die Nadel vor und zurück, was einen vollständig programmierbaren mechanischen Zyklus erlaubt. Diese Ansteuerung ermöglicht den Transport molekularer Fracht durch Lipidmembranen, ohne deren Integrität dauerhaft zu beeinträchtigen.

Präzise Steuerung biochemischer Prozesse

Die Forschenden demonstrierten zudem erweiterte Anwendungsmöglichkeiten des Werkzeugs: „Sobald wir einen zuverlässigen und reversiblen Transport etabliert hatten, konnten wir die Plattform als programmierbare Schnittstelle nutzen, um ganz unterschiedliche biochemische Prozesse im Inneren von synthetischen Zellen zu steuern“, sagt Dr. Longjiang Ding.

Das Team initiierte räumlich kontrollierte DNA-Hybridisierungskettenreaktionen an der Membran, aktivierte die RNA-Transkription durch gezielte Abgabe von Promoter-Aktivatoren und schleuste katalytische DNAzyme ein, die RNA-Substrate innerhalb membrangebundener Kompartimente selektiv spalten. Dies zeigt, dass der mechanische Transport nachgelagerte biochemische Funktionen zeitlich präzise regulieren kann.

Perspektiven für synthetische Bio-Grenzflächen

Die Forschenden sehen breite Anwendungsmöglichkeiten für diese Technologie. „Unsere Arbeit etabliert das mechanische Prinzip in der programmierbaren DNA-Nanotechnologie. Anstatt sich nur auf die molekulare Erkennung zu verlassen, können DNA-Nanowerkzeuge nun durch kontrollierte mechanische Bewegungen aktiv mit biologischen Membranen interagieren“, sagt Laura Na Liu.

Künftige Entwicklungen könnten das programmierbare Einschleusen von Proteinen, Nukleinsäuren und anderen funktionellen Biomolekülen ermöglichen. Dies eröffnet neue Perspektiven für die synthetische Biologie, molekulare Therapeutika und gezielt gestaltete Bio-Grenzflächen.

„Lebende Systeme sind dynamisch, zukünftige molekulare Technologien sollten in der Lage sein, auf ebenso dynamische Weise mit ihnen zu interagieren“, sagt Laura Na Liu. „Wir sehen programmierbare mechanische Werkzeuge als wichtige Ergänzung für den Baukasten der DNA-Nanotechnologie. Sie ermöglichen eine zunehmend differenzierte Kommunikation zwischen synthetischen molekularen Systemen und biologischen Umgebungen.“

Quelle

Technische Universität Wien (08/2026)