Universeel decor van DNA-bouwstenen

Met aptameren kan een breed scala aan stoffen kwantitatief worden gedetecteerd en in detail worden onderzocht

Veelzijdig en toch selectief: onder een breed scala van aptameren bevinden zich de juiste detectoren voor talloze stoffen. De analytmoleculen, hier AMP, binden aan geschikte plaatsen. Dit verandert de kracht waarmee bindingen tussen de twee helften van de aptameer kunnen worden opgelost. © R. Berger / MPI voor polymeeronderzoek
voorlezen

Een universele detector die stoffen kan detecteren die zo divers zijn als antibiotica, verdovende middelen of explosieven, is nu ontwikkeld door onderzoekers met behulp van een atoomkrachtmicroscoop en speciale moleculen genaamd aptameren. Met hun hulp kunnen individuele moleculen aan een trektest worden onderworpen. Op deze manier kan een stof niet alleen nauwkeurig worden gedetecteerd in kleine concentraties, maar ook nauwkeuriger worden bestudeerd. Het is bijvoorbeeld mogelijk om te onderzoeken hoe de gezochte stoffen binden aan bepaalde "lokmoleculen" of wat hun bindingssterkte is.

De zogenaamde aptamers zijn een bijna ideaal middel om chemicaliën van zeer verschillende soorten te detecteren. Ze bestaan ​​meestal uit de bouwstenen van het DNA en RNA en combineren universaliteit met specificiteit. In zekere zin vormen ze een koffer vol aas, die kan worden gebruikt om een ​​andere vissoort te vangen. Hun veelzijdigheid komt voort uit de talloze manieren om de volgorde van de vier basen waaruit DNA bestaat te variëren. Hun specificiteit is op zijn beurt het gevolg van de ruimtelijke structuur die een DNA-streng met een bepaalde reeks basen aanneemt. Dit resulteert in de individueel gevormde zakken van de Aptamer waarin alleen bepaalde moleculen passen, zoals een kleifiguur in zijn vorm.

Op maat gemaakte vakken voor testmoleculen

"Voor de meeste moleculen, of het nu antibiotica, cocaïne, TNT of eiwitten zijn, kunnen aptameren worden gevonden met geschikte zakken", legt Rüdiger Berger van het Max Planck Institute for Polymer Research uit. De onderzoekers van Mainz zijn op zoek naar een van de geschikte aptameren, die zo in twee delen kan worden gesneden dat het doelmolecuul dat in de zak is gebonden een brug vormt tussen de twee helften. Voor hun eerste experimenten met de universele detector hebben de onderzoekers gekozen als doelmolecule adenosinemonofosfaat (AMP) en een aptameer met zakken voor twee AMP-moleculen.

Veranker vervolgens de ene helft van de gesplitste aptameer aan de bovenkant van een atoomkrachtmicroscoop en de andere op een kussen. Als ze nu de punt laten zakken en de helften in contact komen, worden zogenaamde waterstofbruggen gevormd tussen afzonderlijke basen van de twee aptameerhelften. Wanneer de punt wordt teruggetrokken, wordt de verbonden aptamer vastgespannen als een veer. De resulterende kracht kan worden gemeten. Het neemt toe met verlenging totdat de helften met een bepaalde kracht uit elkaar scheuren.

Bindkracht bepaald door adenosinemonofosfaat

In een tweede experiment voegden de onderzoekers een oplossing van het biomolecuul adenosinemonofosfaat (AMP) aan het systeem toe voordat het uit elkaar werd getrokken. Hierdoor komen twee AMP-moleculen in de vrije zakken. Alle twee vormen waterstofbruggen met beide aptameerhelften. Door deze brugfunctie versterken de AMP-moleculen de samenhang van de twee delen. Ze breken daarom alleen af ​​wanneer de kracht aanzienlijk groter is. Door dit verschil kan de AMP worden gedetecteerd. tonen

Voor de bepaling van de voedingsstoffen herhaalden de onderzoekers de metingen 1000 keer en bepaalden ze een statistisch gemiddelde. Het was ongeveer 39 piconewtons voor de AMP-beladen aptamer, ongeveer twaalf piconewtons hoger dan zonder de AMP. Als controle gebruikten ze een gemuteerde aptameer met een anders gevormde bindzak die de scheurkracht niet veranderde. Ook bepaalt de tweedeling van de aptameer elegant de bindingssterkte tussen de AMP en de aptameer. Voor dit doel werd de concentratie van AMP-moleculen in de oplossing geleidelijk verhoogd totdat ongeveer de helft van alle trekproeven een toename van de scheurkracht vertoonde. Hoe groter de concentratie, hoe kleiner de bindingssterkte.

Toepassingen in omgevingsanalyse en medische diagnostiek

De nieuwe methode is niet alleen geschikt voor het detecteren van bepaalde moleculen in een oplossing, maar ook voor het onderzoek van individuele moleculen, zegt Berger. "Je kunt bijvoorbeeld met een gedefinieerde kracht aan de aptameer trekken zonder deze te scheuren en onderzoeken hoe de eigenschappen van de molecule-aptameerverbinding veranderen", zegt Berger. Men zou ook het doelmolecuul kunnen veranderen zodat het bijvoorbeeld slechts twee waterstofbruggen vormt met de pocket in plaats van drie. "Dit maakt het mogelijk om te begrijpen welke binding van doelmolecuul en aptameer belangrijk zijn", legt Berger uit.

De kennis van aptamers en hun bindende eigenschappen heeft een groot toepassingspotentieel. De DNA-fragmenten worden tegenwoordig al gebruikt voor omgevingsanalyse en medische diagnostiek. Dankzij nieuwe inzichten kunnen hun toepassingen als moleculaire hulpmiddelen en bouwstenen worden uitgebreid met de nieuwe methode, zegt Berger. (Journal of the American Chemical Society, 2011, DOI: 10.1021 / ja1092002)

(Max Planck Society, 21.03.2011 - NPO)