Die kovalente Bindung ist ein sehr bekanntes Phänomen, das die Atome eines Moleküls durch ein geteiltes Elektronenpaar verbindet. In der Natur können Molekülstrukturen jedoch auch durch schwächere und dynamischere Kräfte verbunden werden, die zu supramolekularen Netzwerken führen. Diese können sich aus einem anfänglichen Molekülcluster oder Kristall selbst zusammensetzen und sich zu großen, stabilen Architekturen entwickeln.
Supramolekulare Netzwerke sind für die Aufrechterhaltung der Struktur und Funktion biologischer Systeme von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel verlassen sich Zellen beim "Essen" auf sechseckige supramolekulare Netzwerke, die sich aus Einheiten des Clathrins, einem dreiarmigen Protein, selbst zusammensetzen. Die Clathrin-Netzwerke bilden Blasen um die Nährstoffe, um sie in die Zelle zu bringen. In ähnlicher Weise bildet ein Protein namens TRIM5a ein sechseckiges Netzwerk um HIV-Viren, was dazu beiträgt, deren Replikation zu stören.
"Diese hexagonale Netzwerkstruktur ist in der Natur allgegenwärtig - man kann sie sogar auf makroskopischer Ebene beispielsweise in Bienenstöcken sehen", erklärt Maartje Bastings, Leiterin des Labors für programmierbare Biomaterialien (PBL) an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und -techniken der EPFL.
Für ihre neueste Studie, die in der Zeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht wurde , verwendeten das PBL-Labor und das Labor für Bio- und Nanoinstrumentierung ( LBNI ) unter der Leitung von Georg Fantner DNA-Stränge aus dem Nano-Engineering in Form eines Dreipunkt-Sterns, um die verschiedenen Faktoren zu isolieren und zu untersuchen, die die Bildung supramolekularer Kristallgitter steuern. Im Laufe des Prozesses entdeckten die Wissenschaftler einen "entscheidenden Parameter", der noch wichtiger war als die Stärke oder Anzahl der chemischen Bindung.
"Die Flexibilität der Grenzfläche wird immer überwiegen".
Wie die menschliche DNA variiert die Zusammensetzung der Moleküle der Dreipunkt-Stern-DNA aufgrund ihrer Nukleotidsequenzen, was sich auf die Stärke ihrer Wechselwirkung (Affinität) mit benachbarten Molekülen auswirkt. Für diese Studie führten die Wissenschaftler jedoch eine zusätzliche Variable ein: Durch nuancierte Veränderungen in der Länge der Stränge, aus denen jeder der drei Monomerarme besteht, konnten sie die lokale und globale Flexibilität der Arme modulieren.Mit Hilfe der Hochgeschwindigkeitsatomkraftmikroskopie beobachtete das Team, dass DNA-Sterne mit kürzeren, starren Armen sich in stabilen hexagonalen Netzwerken organisierten, während Sterne mit längeren, flexibleren Armen nicht in der Lage waren, große Netzwerke zu bilden. Die Simulationen ergaben, dass die kürzeren Arme mit fast viermal höherer Wahrscheinlichkeit parallel angeordnet waren, was für die Verbindung mit anderen Molekülen günstiger war, während die längeren Arme dazu neigten, sich zu weit voneinander zu entfernen, um stabile Verbindungen zu schaffen. Die Wissenschaftler nannten diese Variation die Flexibilität der Schnittstelle.
"Die Grenzfläche, an der sich zwei Moleküle verbinden, muss starr sein; wenn eine der Grenzflächen flexibel ist, ist die Wahrscheinlichkeit geringer, dass die Moleküle verbunden bleiben. Die Stärke der Bindung ist nicht wichtig - die Flexibilität der Grenzfläche wird immer überwiegen. Das widerspricht allem, was wir bisher kannten", sagt Maartje Bastings.
Interessanterweise zeigten die Wissenschaftler auch, dass die Flexibilität der Grenzfläche genau eingestellt werden kann: In flexiblen Molekülen gelang es ihnen, die lokale Steifigkeit an der Bindungsstelle so weit wiederherzustellen, dass das Wachstum des Netzwerks unterstützt wurde, während die größere Gesamtgröße der Moleküle beibehalten wurde. "Das bedeutet, dass selbst global flexible Monomere noch zu Netzwerken wachsen können, wenn die Flexibilität der Grenzfläche an der Bindungsstelle kontrolliert wird", fasst Maartje Bastings zusammen.
Die Fortschritte in der interdisziplinären DNA-Nanotechnologie haben es ermöglicht, die DNA aus dem genomischen Kontext herauszulösen und sie zu einem Werkzeug für die Entdeckung globaler physikalischer Wechselwirkungen wie der Flexibilität der Schnittstelle zu machen.
Maartje Bastings
Schaffen oder zerstören
Laut Maartje Bastings könnte diese Arbeit die Art und Weise verändern, wie Wissenschaftler Proteine und andere Moleküle für die Selbstorganisation entwerfen, und neue Möglichkeiten für zelluläre Nanotherapien eröffnen. Gezielte Ansätze könnten sich z. B. auf die Steifigkeit beim Entwurf neuer supramolekularer Netzwerke aus Proteinen konzentrieren oder auf die Induktion von Flexibilität für das strategische Aufbrechen oder die Verhinderung unerwünschter Netzwerke, wie z. B. der bei der Alzheimer-Krankheit beobachteten Amyloid-Plaques. Maartje Bastings sieht auch Anwendungen in der Spintronik, wo die Selbstorganisation wohldefinierter nanoskaliger Netzwerke dazu beitragen könnte, die Elektronik der nächsten Generation zu schaffen.Sie führt diesen Erfolg auf die Initiative der Studentinnen und Studenten ihres Labors und der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des LBNI-Labors zurück. Und sie vergisst nicht, das bescheidene DNA-Molekül gebührend zu würdigen.
"Die Fortschritte in der interdisziplinären DNA-Nanotechnologie und der Kontrolle von Eigenschaften auf atomarer Ebene haben es ermöglicht, die DNA aus dem genomischen Kontext herauszulösen und sie zu einem Werkzeug für die Entdeckung globaler physikalischer Wechselwirkungen, wie der Flexibilität der Schnittstelle, zu machen."
