Alle Zellen benötigen den Transport von Stoffen, um ihre Funktion aufrechtzuerhalten. In Nervenzellen ist ein winziger Motor aus dem Protein KIF1A dafür verantwortlich. Mutationen in diesem Protein können zu neurologischen Störungen führen, darunter Gehschwierigkeiten, geistige Beeinträchtigungen und Nervenschädigung. Es ist bekannt, dass Mutationen in KIF1A auch zu einer geschwächten motorischen Leistung führen, aber dies war bisher schwer messbar. Forscher, darunter Mitarbeiter der Universität Tokio und des National Institute of Information and Communications Technology (NICT) in Japan, haben Veränderungen der Kraft von KIF1A mithilfe einer Nanofeder, einer winzigen, gewundenen Struktur aus DNA, gemessen. Dies könnte zu einer verbesserten Diagnose von Krankheiten führen, die mit den Mutationen des Proteins zusammenhängen.
Neurologische Erkrankungen wie die KIF1A-assoziierte neurologische Störung (KAND) können das Leben der Betroffenen enorm beeinträchtigen. Daher wird erheblicher Forschungsaufwand betrieben, um einige der Symptome zu lindern. Ein wichtiger Bestandteil dabei ist die Erstdiagnose, denn je früher Probleme erkannt werden, desto schneller können sie behandelt werden.
„KAND entsteht durch Mutationen im Motorprotein KIF1A, und es wurde berichtet, dass einige KIF1A-Mutanten eine Motorkraft von weniger als 1 Piconewton erzeugen, verglichen mit 3,8 Piconewton bei einer gesunden Version. Diese Kräfte sind sehr schwer zu erfassen. Selbst eine starke Kopie von KIF1A mit 3,8 Piconewton übt nur ein Billionstel der Kraft aus, die zum Anheben eines Apfels nötig wäre“, sagte Professor Kumiko Hayashi vom Institut für Festkörperphysik der Universität Tokio. „In früheren Studien wurde versucht, optische Pinzetten auf Laserbasis zu verwenden, aber die von diesen erzeugten Signale waren unklar, und Testproben lösten sich häufig. Also suchten wir nach einer besseren Alternative, und das brachte mich dazu, eine spulenförmige DNA-Nanofeder zu verwenden, die von Senior Researcher Mitsuhiro Iwaki vom NICT entwickelt wurde – die erste ihrer Art.“
Der Name ist ziemlich selbsterklärend: Es handelt sich um eine winzige, nur wenige Nanometer lange Spule aus DNA, ein Milliardstel der Breite eines menschlichen Haares. Sie kann sowohl an einer unbeweglichen Oberfläche als auch an einem KIF1A-Protein fest haften und dehnt sich, wie man sich vorstellen kann, aufgrund ihrer federartigen Beschaffenheit je nach ausgeübter Kraft aus. Unter dem Mikroskop leuchtet die Nanofeder, um den Dehnungsgrad anzuzeigen. Durch sorgfältige Beobachtung dieser Fluoreszenz konnten Hayashi und ihr Team genau messen, wie stark KIF1A an einer DNA-Nanofeder zog.
„Nachdem wir Fluoreszenzbilder der Nanofeder erhalten hatten, mussten wir anhand der Bilder ihre Länge schätzen und entwickelten hierfür eine Schätzmethode. Die Informatik erwies sich auch für die Einzelmolekülanalyse als wichtig“, so Hayashi.
Die Nanofedern werden mithilfe eines als DNA-Origami bezeichneten Verfahrens hergestellt, bei dem ein langer DNA-Strang mithilfe vieler kürzerer Stränge gefaltet wird. Computerprogramme helfen bei der Gestaltung zwei- und dreidimensionaler Formen im Nanomaßstab, und die DNA faltet sich von selbst korrekt, da sich die einzelnen Moleküle auf vorhersehbare Weise verbinden. Dank ihrer Form und Flexibilität können Forscher winzige, federartige Strukturen bauen, die einem Bauplan mit überraschender Genauigkeit folgen.
Obwohl die DNA-Nanofeder selbst wahrscheinlich nicht zu einer Behandlung führen wird, ist die Tatsache, dass sie bei der Diagnose von KAND helfen kann, ein großer Schritt nach vorne. Hayashi und ihr Team entwickeln derzeit Methoden zur Hochdurchsatz-Datenanalyse, da mehr als 100 KIF1A-Mutationen bekannt sind, und sie möchten eine Datenbank aufbauen, die ihre Kraftmessungen katalogisiert.
„Da die biophysikalischen Eigenschaften des Motorproteins wichtig für die Vorhersage des Krankheitsschweregrads sind, wollen wir die Vorhersagen des KAND-Schweregrads verbessern, indem wir diese Daten in KI-basierte Modelle der Proteinleistung integrieren“, sagte Hayashi.
Quelle:
https://doi.org/10.7554/eLife.108477.1
