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22.07.2019 | Naturwissenschaftliche Grundlagen | Im Fokus | Onlineartikel

Lebendige Bausteine

Autor:
Dieter Beste

Freiburger Forschern ist eine programmierbare Strukturdynamik in sich selbstorganisierenden Faserstrukturen gelungen. Haben sie damit den Zugang zu neuartigen Funktionsmaterialien außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts geöffnet?

Biologische Zellen sind dynamisch aufgebaut: Ihre Bausteine befinden sich in einem stetigen Wandel und werden kontinuierlich ausgetauscht. Dadurch können sich Strukturen an veränderte Situationen anpassen und durch Umlagerung der Bausteine auf Reize reagieren, sich selbstständig erneuern oder sich nur bei Bedarf ausbilden. Die Mikrotubuli, eine aus Proteinfasern aufgebaute Gerüststruktur im Zytoplasma der Zellen von Algen, Pflanzen, Pilzen, Tieren und Menschen, sind so ein dynamisches Geflecht. Aufgrund ihrer selbstorganisierenden Struktur bauen sich diese Fasern ständig zeitgleich auf und ab, wodurch sie die Zellen aktiv bei komplexen Aufgaben wie der Zellteilung oder Fortbewegung unterstützen, erklären Andreas Walther und Laura Heinen vom Institut für Makromolekulare Chemie und vom Zentrum für interaktive Werkstoffe und bioinspirierte Technologien (FIT) der Universität Freiburg. Um diese dynamischen Strukturen zu bilden und aufrecht zu halten, benötigen die Fasern Energie. Den beiden Wissenschaftlern ist es nun erstmalig gelungen, in einem künstlichen chemischen System die Dynamik solcher dissipativen, also energieverbrauchenden, Strukturen auf Basis von DNA-Bausteinen zu programmieren, wie sie in Science Advances berichten.

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Die Schwierigkeit einer programmierbaren Strukturdynamik in synthetischen dissipativen Systemen liege in der Synchronisation der energetischen De-und Aktivierung mit dem strukturellen Ab- sowie Einbau der Bausteine, berichten die Forscher. Das Freiburger Team konnte das Problem lösen, indem es eine energiegetriebene, dynamische kovalente Bindung, die für den festen Zusammenhalt von Atomen verantwortlich ist, in das Rückgrat der DNA-Stränge eingesetzte: Die kovalente Bindung wird dabei durch die katalytische Aktivität des Enzyms T4-DNA-Ligase geschlossen und gleichzeitig von einem Restriktionsenzym, das DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneiden kann, an der gleichen Stelle wieder gespalten. Dieses neugebaute System sei reversibel und resultiere direkt in einer strukturellen Dynamik, wodurch es sich von den bisherigen künstlich erzeugten dissipativen Strukturen unterscheide, so die Wissenschaftler.

Der belgische Physikochemiker Ilya Prigogine (1917–2003, Nobelpreis 1977) hat gezeigt, dass dissipative Strukturen eine bestimmte Entfernung vom chemischen Gleichgewicht voraussetzen (Nichtgleichgewichts-Thermodynamik). Die Aufrechterhaltung dissipativer Strukturen verlangt, wie der Name besagt, die ständige Dissipation von Energie, die mit einer Entropiezunahme einhergeht." Horst Bannwarth, Bruno P. Kremer, Andreas Schulz "Basiswissen Physik, Chemie und Biochemie", Seite 243.

Die Studie, die im Rahmen des ERC Starting Grant "TimeProSAMat" von Walther entstand, zeigt anhand der dynamischen Herstellung eines Polymers von DNA-Fragmenten wie die Lebenszeit, die Austauschfrequenz, oder der relative Bindungsanteil der DNA-Polymere in Abhängigkeit des Energielieferanten Adenosintriphosphat und der Enzymkonzentrationen zu kontrollieren sind. Die Freiburger Forschenden können diese dynamisch-stationären Zustände nach eigenen Angaben über mehrere Tage hinweg aufrechterhalten. Die chemischen Modifikationsmöglichkeiten von DNA als Konstruktionsmaterial seien vielseitig und zudem seien zahlreiche Restriktionsenzyme vorhanden, erklärt Heinen: "Dadurch ermöglicht unser Konzept weitreichenden Zugang zu neuartigen Funktionsmaterialien, die außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts agieren. Und zwar mit bisher einzigartigen Programmierungsmöglichkeiten ihrer dynamischen Struktureigenschaften."

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