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Reconfigurable DNA-nanochambers as dynamic compartmentalization systems

Schöneweiß, Elisa-Charlott LSF

Dynamische DNA-Nanotechnologie repräsentiert eine innovative Methodik biomimeti-sche Nanostrukturen mit zunehmender Komplexität und Präzision aufzubauen. Ein großer Vorteil bei der Verwendung dieser Technik liegt in der gesamten räumlich und zeitlich kontrollierbaren Steuerung der Systeme im Nanometerbereich. Die Konfigu-rierbarkeit der Strukturen wurde in dieser Arbeit über sogenannte DNA Haarnadel-motive gesteuert. Mit Hilfe von temperaturabhängiger Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Spektroskopie war es somit möglich, die mechani-sche Kapazität und die Energie integrierter Ensembles dieser DNA Motoren innerhalb eines DNA Origami Systems zu bestimmen. Das Ergebnis ist ein neuartiges Modell, welches die Energielandschaft der Haarnadelmotive beschreibt. Dafür wurde das Nearest-Neighbor Modell, welches die thermodynamische Energie des DNA-Duplexes in der offenen Haarnadelform beschreibt, mit der freien entropischen Ener-gie der Einzelstrang DNA (geschlossene Form), die mittels des Worm-like Chain Algorithmus bestimmt wurde, miteinander kombiniert. Das gewonnene Verständnis über die Steuerung und Manipulation molekularer Kräfte ist essentiell und fundamen-tal für die Entwicklung und Konstruktion anspruchsvollerer Nanomaschinen und ge-währt zudem Einblick in die Funktionsweise komplexer molekularer Prozesse. Weiterhin war es möglich, durch die Verwendung dieser Methodik, strategisch zwei spezifische DNA Aptamere (TBA1 und TBA2) innerhalb eines DNA-Origami Rahmens zu integrieren, welches die Einkapselung der Serin Protease Thrombin ermöglichte. Die entwickelte Nanofabrik erlaubte somit die 1:1 host-guest Komplexierung ohne die natürlichen Eigenschaften des Proteins zu verändern, welches vergleichbar mit na-türlichen Kompartiment Systemen ist. Die Ergebnisse der Analysen zeigten, dass die Bindungsaffinität der Aptamer Liganden zum Protein innerhalb des Origami Systems und die katalytische Aktivität von Thrombin stark erhöht werden konnten und dass die geometrische Integration der Liganden eine effektive Methodik für die selektive Komplexierung und Manipulation eines gewünschten und vorher ausgewählten Pro-teins darstellt. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit das hohe Potential der DNA Nanotechnologie für die Konstruktion programmierbarer, bioinspirierter und künstlicher Nanokompartimentsysteme bewiesen werden, die für die Speicherung und den Transport spezifischer Materialien/Proteine zu definierten Zielorten innerhalb der Zelle verwendet werden können.

Dynamic DNA nanotechnology offers an innovative opportunity to build up biomimetic nanostructures with increasing complexity and precision, depending on the overall spatial and temporal control of matter distribution with nanometer accuracy and in a trigger dependent manner. Mechanically switchable hairpin motifs thereby offer the possibility to perform DNA-induced conformational transitions. By means of tempera-ture dependent FRET spectroscopy it was possible to explore the operational capa-bilities, energetics and mechanical performance of a distinct collective ensemble of hairpin motifs tethered to a large DNA origami framework with the result of a novel hybrid spring model to describe the energy landscape of the integrated switchable hairpins. Consequently, the thermodynamic nearest-neighbor energy of the duplex DNA with the entropic free energy of single-stranded DNA estimated using a worm-like chain approximation was combined. Understanding of how mechanical forces can be gathered and manipulated at the molecular level is fundamental for the de-velopment of more sophisticated nanodevices and may help to gain more insights into the performance of complex natural molecular machines. Additionally, the strategic positioning of two G4-motifs (TBA1 and TBA2) within the inner cavity of the DNA frame demonstrated the possibility to form a 1:1 host-guest complex, without altering the natural properties of the encapsulated protein, thus emulating some of the fundamental properties of natural compartmentalization sys-tems. The results demonstrated that the binding affinity and activity of the thrombin were greatly enhanced by caging it within the origami frame and that defined geo-metric arrangements of the internalized aptamer ligands can be used to develop a tool for selective encapsulation and manipulation of desired molecular cargos. In conclusion, this work shows the high potential of DNA nanotechnology to build up programmable, dynamical, bioinspired artificial nanovessels, which might be used for the storage and delivery of materials and desired protein targets at precise cellular locations.

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Schöneweiß, Elisa-Charlott: Reconfigurable DNA-nanochambers as dynamic compartmentalization systems. 2018.

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