Forschung: Neue Methode zur Verbesserung der Erkennung zwischen zwei DNA-Strängen

Italienisch-US-amerikanische Studie ebnet den Weg für die Entwicklung von Katalysatoren, Sensoren und Materialien mit verbesserter Leistung.

Fast alle chemischen Prozesse, sowohl in der Natur als auch im Labor, beruhen auf der selektiven Erkennung zwischen Molekülen. Die selektive molekulare Erkennung ist von entscheidender Bedeutung: So können beispielsweise die fehlerhafte Bindung eines Substrats an ein Enzym oder Fehler bei der DNA-Basenpaarung Krankheiten verursachen. Wissenschaftler arbeiten seit langem daran, die molekulare Erkennung zu verbessern, um die Leistung in strategischen Bereichen wie Pharmakologie, Sensorik und Materialwissenschaft zu steigern. Ein von den Universitäten Padua und Rom Tor Vergata koordiniertes Forschungsteam hat in Zusammenarbeit mit der Northwestern University eine Studie in Nature Nanotechnology veröffentlicht, in der eine neue Methode zur Verbesserung der Erkennung zwischen zwei DNA-Strängen und zur Reduzierung von Paarungsfehlern vorgeschlagen wird.

Chemiker haben sich schon immer die molekulare Erkennung zunutze gemacht, um Katalysatoren, Medikamente, Sensoren und Materialien zu entwickeln, heißt es in einer Erklärung der Universitäten Padua und Tor Vergata. Typischerweise wird die Selektivität dieser Erkennung durch die Komplementarität in Form und chemischer Struktur der beiden Moleküle gewährleistet. Bei einigen biologischen Prozessen reicht Komplementarität allein jedoch nicht aus, um ein ausreichendes Maß an Selektivität zu gewährleisten. Bei der DNA-Replikation beispielsweise muss jeder Strang bis zu Milliarden von Grundeinheiten korrekt erkennen, und jeder Fehler kann Mutationen auslösen, die wiederum Krebs verursachen können. Um die Replikationsgenauigkeit zu erhöhen, gibt es in der Natur mehrere spezialisierte Enzyme, die kinetisches Korrekturlesen durchführen, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren.

„Wir haben diese Strategie der Natur modelliert und können mit dieser neuen Technik, die den Prozess der enzymatischen kinetischen Korrektur nachahmt, Bindungsfehler zwischen kurzen DNA-Strängen korrigieren“, erklären Leonard Prins vom Institut für Chemische Wissenschaften der Universität Padua und Francesco Ricci vom Institut für Chemische Wissenschaften und Technologien der Universität Tor Vergata in Rom.

Das Verfahren, so beschreiben die beiden Professoren, basiert auf einem Mechanismus namens Informationsratsche, der bereits zur Herstellung von Geräten wie Motoren und Molekularpumpen eingesetzt wurde. Dieser Prozess erhöht die Selektivität der DNA-Strangerkennung deutlich von 67 auf 86 Prozent. Im Gegensatz zur kinetischen Korrektur benötigt dieses System zudem keine komplexen Enzyme, da wir die DNA selbst angreifen können.

„Diese Entdeckung“, so das Fazit der Forschungskoordinatoren, „eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung effizienterer Katalysatoren, hochempfindlicher molekularer Sensoren und innovativer Materialien. Sie bietet zudem eine neue Perspektive auf die Entstehung des Lebens, denn sie legt nahe, dass primitive Moleküle möglicherweise ähnliche Mechanismen zur zuverlässigen Übertragung genetischer Informationen genutzt haben, bevor sich komplexe Enzyme entwickelten.“