Entwicklung einer DNA-Origami-Nanosensor-Plattform für die diagnostische Analyse der proteolytischen Aktivität von ADAMTS-13

• Antragstellerinnen: Viktorija Glembockyte, Ph.D.; Dr. Susanne Weber
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Biochemie ; Toxikologie, Laboratoriumsmedizin
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503042693

Die DNA-Origami-Technologie ist ein leistungsfähiges Werkzeug für das Design unterschiedlichster statischer und dynamischer Nanostrukturen. Dabei ermöglicht die programmierbare Natur der DNA-Basenpaarung die Erzeugung definierter Strukturen, welche in zahlreichen Anwendungen wie der Biosensorik, der zielgerichteten Medikamentenabgabe bis hin zu DNA-basierten Nanorobotern eingesetzt werden können.Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung einer DNA-Origami-basierten Nanosensor-Plattform zur Analyse der Protease A Disintegrin And Metalloprotease with ThromboSpondin-1-like domains 13 (ADAMTS-13) im Plasma. Physiologisch spaltet ADAMTS-13 ultragroße von-Willebrand-Faktor-Multimere im Blut. Dysfunktionale oder fehlende ADAMTS-13 verursacht die Thrombotisch-Thrombozytopenische Purpura (TTP), eine lebensbedrohliche thrombotische Mikroangiopathie (TMA). Die Bestimmung von ADAMTS-13-Aktivität, -Antigen und -Autoantikörper sind für die Diagnose der TTP und ihre Abgrenzung zu anderen TMAs von entscheidender Bedeutung. Derzeit ist die Analyse von ADAMTS-13 oft auf spezialisierte Labore beschränkt. Um die Differenzialdiagnose und optimale Behandlung von TMAs zu beschleunigen, wollen wir eine empfindliche und Point-of-Care Sensorplattform entwickeln, bei der aufgrund der modularen Natur der DNA-Origami-Nanotechnologie die Elemente der Biosensorik und Signalübertragung entkoppelt sind.Die geplanten Biosensoren basieren auf dynamischen scharnierartigen DNA-Origami-Nanostrukturen, die mit ADAMTS-13-spezifischen Polypeptiden (entweder das ADAMTS-13-Zielpeptid oder ein ADAMTS-13-Epitop) konjugiert sind. Die DNA-Origami-Scharniere liegen aufgrund der elektrostatischen Abstoßung zwischen den negativ geladenen Scharnierarmen in einem offenen Zustand vor, können aber durch hybridisierende DNA-Stränge oder überbrückende Polypeptide geschlossen werden. Als Signalübertragungselement dienen an den Armen platzierte Fluorophorpaare, welche bei geschlossenem Scharnier einen Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfer (FRET) ermöglichen. DNA-modifizierte Protease-Zielpeptide oder Interaktionspartner, welche als Bioerkennungselemente dienen, können modular über an den Armenden freien komplementären DNA-Stränge zum Scharnierschluss gebunden werden. Die proteolytische Spaltung der Peptide oder der Austausch von Interaktionspartnern führt zur Öffnung der Nanostruktur und damit zum Verlust des FRET-Signals. Dadurch kann durch die Biosensor-Plattform die Aktivität und/oder Konzentration von ADAMTS-13 in Blutproben direkt ermittelt werden.Der Hauptvorteil des vorgeschlagenen Biosensordesigns ist die vollständige Entkopplung von Bioerkennungs- und Signalübertragungselementen, die den Nachweis von anspruchsvollen Zielanalyten wie ADAMTS-13 ermöglicht, ohne die Signalantwort des Biosensors zu beeinträchtigen. Aufgrund des modularen Aufbaus der geplanten Nanosensoren kann die Sensorplattform auch einfach für die Analyse anderer relevanter Proteasen oder Nukleasen angepasst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen