Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professorin Dr. Stephanie Kath-Schorr an der Universität zu Köln hat eine bahnbrechende Entdeckung im Bereich der synthetischen Biologie gemacht. Sie entwickelten ein künstliches DNA-Basenpaar, das anstelle von herkömmlichen Wasserstoffbrücken auf Halogenbindungen basiert. Diese innovative Methode wurde in einer Publikation im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht und zeigt, dass solche alternativen Bindungen stabile DNA-Strukturen ermöglichen können. Die Verwendung von Halogenbindungen fungiert bei dieser neuen Art von DNA als präzise „Andockstellen“ und eröffnet neue Möglichkeiten in der biochemischen Forschung.
Die Synthese dieser speziellen chemischen Bausteine involvierte die gezielte Nutzung von Iod als Halogenatom. Um die optimale Anordnung der Bausteine zu ermitteln, wurden umfassende Computersimulationen durchgeführt. Die Labortests bestätigten nicht nur die gezielte Verbindung, sondern auch die Stabilität der Molekülpaare. Besonders bemerkenswert ist, dass das natürliche Enzym DNA-Polymerase in der Lage ist, die neuen künstlichen Bausteine zu akzeptieren. Diese Polymerasen fungieren als „Kopiermaschinen“ der Zelle und ermöglichen die Verwendung der neu entwickelten Basenpaare sowohl im Reagenzglas als auch in biologischen Systemen.
Erweiterung des genetischen Alphabets
Die Entdeckung erweitert das bestehende genetische Alphabet erheblich und könnte das Verständnis der Flexibilität von DNA revolutionieren. Angesichts des therapeutischen Potenzials von Nukleinsäuren, insbesondere seit der COVID-19-Pandemie, gewinnen solche Fortschritte an Bedeutung. Künstliche Nukleinsäuren, auch als Xeno-Nukleinsäuren (XNA) bekannt, werden entwickelt, um die Schwächen natürlicher Nukleinsäuren, die anfällig für Nukleasen sind, zu überwinden.
Ein Team an der Universität Köln, bestehend aus Professorin Kath-Schorr und Promotionsstudentin Hannah Depmeier, erforscht die chemische Modifikation von Nukleinsäuren. Ihr Ziel ist es, die Stabilität dieser Nukleinsäuren zu verbessern und deren Bindungen an Zielmoleküle zu optimieren. Dabei werden Kombinationen chemischer Modifikationen eingesetzt, die die Struktur von XNA betreffen. Die aktuelle Forschung umfasst sowohl einzelsträngige als auch doppelsträngige Nukleinsäuren sowie innovative Basenpaare.
Zukunftsperspektiven in der synthetischen Biologie
Eine besondere Rolle spielt dabei die Stabilität der α-L-Threofuranosyl-Nukleinsäure (TNA), die als Basis für die Modifikationen dient. TNA erweist sich als vorteilhaft gegenüber natürlicher Ribose, da sie nicht von Exonukleasen erkannt wird. In den bisherigen Tests wurde nachgewiesen, dass neue nicht-kanonische Basenpaare wie TPT3 und NaM in TNA integriert werden können, die auf hydrophobe Wechselwirkungen setzen.
Die Forschung zielt darauf ab, exTNA in DNA umzuschreiben, um eine umfassende DNA-Sequenz-Bibliothek zu erstellen. Die Ergebnisse dieser Arbeiten deuten auf zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten hin, sowohl in diagnostischen als auch therapeutischen Verfahren. Für die weitere Entwicklung sind Polymerasen entscheidend, da sie eine wesentliche Rolle bei der Akzeptanz chemischer Modifikationen spielen.
Insgesamt verdeutlichen diese Fortschritte die innovative Kraft der modernen Biochemie und eröffnen neue Horizonte für die Anwendung von DNA und Nukleinsäuren in der Zukunft.