LCST-artiges Polymerverhalten von Einzelstrang-DNA: Von den Grundlagen zu schaltbaren Blockcopolymeren und chemisch getriebener, transienter polymerisationsinduzierter Selbstorganisation

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Walther
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466493239

Aufbauend auf unserer jüngsten Entdeckung (Nature Nanotechnology 13, 730 (2018)) der sequenzspezifischen Phasensegregation von ssDNA - einer Polymereigenschaft der ssDNA - ist es das zentrale wissenschaftliche Ziel dieses Antrags, das Phasensegregationsverhalten von Purin-reicher ssDNA zu verstehen und diese Polymereigenschaft für das Design selbstorganisierender Systemen (kolloidaler Koazervate und Blockcopolymer-(BCP-) Strukturen) zu aktivieren. Die Untersuchungen zielen darauf ab, die Erkenntnisse zu BCP Strukturen aus den synthetischen Polymeren mit den hochentwickelten Strangverdrängungsreaktionen, Aptamer-Technologien und Möglichkeiten zur enzymatischer Manipulationen in den DNA-Nanowissenschaft zu verschmelzen, um somit das Beste aus zwei Welten in neue Systeme zu implementieren. Nichtgleichgewichtsaspekte sind ein entscheidender Punkt, und wir werden chemisch getriebene, transiente Polymerisations-induzierte Selbstorganisation untersuchen, bei der Strukturen mit Hilfe antagonistischer Enzyme autonom aufgebaut und zerstört werden können. Zunächst wird ein quantitatives Verständnis der Sequenzabhängigkeit der ssDNA Phasentrennung angestrebt, um dann Wege für die isotherme Phasentrennung als Reaktion auf chemische Signale zu identifizieren – insbesondere Strangverdrängungsreaktionen mit kontrollierter Kinetik sowie ATP Aptamere.Zweitens werden wir durch die Kontrolle der ssDNA-Trübungspunkte und der Kinetik der Phasentrennung unter Verwendung von Sequenzkodierungs die thermisch ausgelöste Bildung uniformer Koazervat-Tröpfchen unter Verwendung kontrollierter Nukleations- und Wachstumsprozesse anstreben. Drittens werden wir ssDNA-b-(synthetisches Polymer)-BCPe mit sehr langen ssDNA-(Co)Polymeren sowie mit kodierten Sequenzen zur molekularen Erkennungs für Aptamere und Strangverdrängungsreaktionen synthetisieren. Darauf aufbauend werden wir die thermische und isothermische Bildung von BCP-Assoziaten untersuchen, wobei der ssDNA-Block im Gegensatz zu früheren Arbeiten der solvophobe Block sein wird. Viertens werden wir polymerisationsinduzierte Selbstassemblierungsprozesse (PISA) durch lebende enzymatische Polymerisation phasensegregierender ssDNA-Blöcke (unter Phasensegregationsbedingungen) entwerfen, und darüber hinaus diesen Ansatz weiterentwickeln, um transiente PISA-Strukturen durch Hinzufügen von Exonuklease 1 zu erzeugen, die in der Lage ist, die gebildete ssDNA mit einer Zeitverzögerung abzubauen. Das Projekt wird Vorteile der DNA-Nanowissenschaften in die Polymerphasentrennung und -selbstorganisation einführen, und es wird auch neue Werkzeuge der Polymerchemie und -wissenschaft zur DNA-Selbstorganisation einführen. In einem breiteren Kontext hoffen wir, Biologen dazu anregen zu können, über die Bedeutung der ssDNA-Phasentrennung im Kontext biologischer Kondensaten nachzudenken, um möglicherweise neue Werkzeuge zur Untersuchung grundlegender biologischer Prozesse zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen