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The precise positioning of individual molecules with respect to one another is fundamentally challenging. DNA Nanotechnology enables the synthesis of nanometer-sized objects with programmable shapes out of many chemically produced DNA fragments. One of the most widely used methods in this field is called “DNA origami” which allows to fabricate nanoparticles with almost arbitrary shapes, which are around a thousand-fold smaller than the diameter of a human hair. They can be site-specifically functionalized with a large variety of materials such as individual protein molecules, antibodies, drugs molecules or inorganic nanoparticles. This allows to place them in defined geometries or distances with nanometer precision.

Due to this unique control over matter on the nanometer-scale, DNA nanostructures have also been considered for applications in molecular biology and nanomedicine. For example, they can be used as programmable drug carriers, diagnostic devices or to study the response of cells to precisely arranged molecules. However, many of these artificial DNA nanostructures need a much higher salt concentration than that in bodily fluids or cell culture buffers to maintain their structure and thus their functionality. Moreover, they can be degraded quickly by special enzymes (nucleases) that are present in bodily fluids such as saliva or blood that digest foreign DNA. This instability limits any biological or medical applications.

To overcome this deficiency, a team led by cfaed Research Group Leader Dr. Thorsten L. Schmidt (Technische Universität Dresden / Germany) coated several different DNA origami structures with a synthetic polymer. This polymer consists of two segments, a short positively charged segment which electrostatically “glues” the polymer to the negatively charged DNA nanostructure and a long uncharged polymer chain that covers the entire nanostructure resembling a fur.

In their study “Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami” published in Angewandte Chemie [DOI: 10.1002/anie.201608873] they showed that such DNA nanostructures covered with the polymers were protected against nuclease digestion and low salt conditions. Furthermore they showed that structures functionalized with nanoparticles can be protected by the same mechanism.

This straightforward, cost-effective and robust route to protect DNA-based structures could therefore enable applications in biology and nanomedicine, where un-protected DNA origami would be degraded.

Paper:

Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami
Authors: Nayan P. Agarwal [a]; Michael Matthies [a]; Fatih N. Gür [a]; Kensuke Osada [b]; Thorsten L. Schmidt [a]
[a] Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden
[b] Prof. Dr. Kensuke Osada, Department of Bioengineering, University of Tokyo
[DOI: 10.1002/anie.201608873]

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Press Contact:

Thorsten-Lars Schmidt, PhD.
Group Leader DNA Chemistry
E-mail: thorsten-lars.schmidt@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

About cfaed

cfaed is a microelectronics research cluster funded by the German Excellence Initiative. It comprises 11 cooperating institutes in Saxony. About 300 scientists from more than 20 countries investigate new technologies for electronic information processing. These technologies are inspired by innovative materials such as silicon nanowires, carbon nanotubes or polymers or based on completely new concepts such as the chemical chip or circuit fabrication methods by self-assembling structures such as DNA-Origami. The orchestration of these new devices into heterogeneous information processing systems with focus on their resilience and energy-efficiency is also part of cfaed’s research program which comprises nine different research paths.
www.cfaed.tu-dresden.de

Deutsche Version

cfaed-PRESSEMITTEILUNG vom 16. März 2017

Blockcopolymer-Mizellisierung als Schutzstrategie für DNA-Origami

Wissenschaftler des Center for Advancing Electronics Dresden / TU Dresden und der Universität Tokyo und Leitung von Thorsten L. Schmidt (cfaed) haben eine Methode zum Schutz von DNA-Origami vor dem Abbau in biologischen Medien entwickelt. Diese Strategie ermöglicht zukünftige Anwendungen in der Nanomedizin und Zellbiologie. Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team nun unter dem Titel: “Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami” in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie

Die genaue Anordnung einzelner Moleküle ist grundsätzlich sehr schwierig. DNA-Nanotechnologie ermöglicht die Synthese Nanometer-großer Objekte mit programmierbaren Formen aus synthetischen DNA-Fragmenten. Eine der am häufigsten genutzten Methoden in diesem Forschungsfeld ist die sogenannte DNA-Origami-Technik, welche die Herstellung von Nanostrukturen mit nahezu beliebigen Formen ermöglicht. Diese sind um ein Tausendfaches kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie können punktgenau mit zahlreichen weiteren Materialen funktionalisiert werden, wie z.B. Eiweißmolekülen, Antikörpern, Wirkstoff-Molekülen oder anorganischen Nanopartikeln, so dass definierte Geometrien bzw. Abstände mit Genauigkeiten im Nanometerbereich einstellbar sind.

Dank dieser einzigartigen Kontrolle von Materialien im Nanometerbereich sind DNA-Nanostrukturen auch für Anwendungen in der Molekularbiologie und Nanomedizin attraktiv. So könnten Nanostrukturen beispielsweise als programmierbare Wirkstoffträger oder Diagnoseeinheiten eingesetzt werden, oder die Reaktion von Zellen auf präzise eingebrachte Moleküle untersucht werden. Diese künstlichen DNA-Nanostrukturen benötigen allerdings etwa 10-fach höhere Salzkonzentrationen, als in Körperflüssigkeiten oder Zellkulturmedien vorliegen, damit die Form und damit die Funktionalität erhalten bleibt. Darüber hinaus können sie sehr schnell von speziellen Enzymen (Nukleasen) abgebaut werden, welche in menschlichen Körperflüssigkeiten wie Blut oder Speichel zu finden sind. Diese Instabilität schränkt biologische oder medizinische Anwendungen ein.

Aus diesem Grunde überzog ein Team unter Leitung von cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Thorsten L. Schmidt (Technische Universität Dresden) DNA-Origamistrukturen mit einem synthetischen Polymer. Dieses besteht aus zwei Segmenten: einem kurzen positiv geladenen Abschnitt, welcher das Polymer elektrostatisch an der negativ geladenen DNA-Nanostruktur anheftet, und einer langen ungeladenen Polymerkette, welche die gesamte Nanostruktur ähnlich einem Pelz einhüllt.

Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass solche von Polymeren bedeckten DNA-Nanostrukturen vor Nuklease-Abbau und niedrigen Salzkonzentrationen geschützt waren. Zudem konnten sie nachweisen, dass mit Nanopartikeln funktionalisierte Nanostrukturen mittels derselben Methode geschützt werden können. Seine Forschungsergebnisse veröffentlichte das Team unter dem Titel: “Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami” in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie [DOI: 10.1002/anie.201608873].

Diese unkomplizierte, kosteneffektive und robuste Methode zum Schutz von DNA-basierten Strukturen könnte biologische und nanomedizische Anwendungen in Bereichen ermöglichen, in welchen „ungeschützte“ DNA-Origami nicht stabil wären.

Paper:

Block Copolymer Micellization as a Protection Strategy for DNA Origami
Authors: Nayan P. Agarwal [a]; Michael Matthies [a]; Fatih N. Gür [a]; Kensuke Osada [b]; Thorsten L. Schmidt [a]
[a] Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden
[b] Prof. Dr. Kensuke Osada, Department of Bioengineering, University of Tokyo
[DOI: 10.1002/anie.201608873]

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Pressekontakt:

Thorsten-Lars Schmidt, PhD.
Gruppenleiter DNA Chemistry
E-mail: thorsten-lars.schmidt@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed Communications Officer
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

Über das cfaed

Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.
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