Programmierbare DNA-basierte Nanomaterialien für biomedizinische Diagnostik und individualisierte Medizin - proDNAmat

Abstract

Synthetische Polymermaterialien haben die Welt innerhalb des letzten Jahrhunderts revolutioniert. Ein Blick auf die Natur zeigt jedoch, wie begrenzt die Funktion synthetischer Polymere im Vergleich zu biologischen Systemen ist: Mithilfe selbst-assemblierter nicht-kovalenter Polymere können Zellen ihre Komponenten mit mikroskopischer Präzision organisieren, Signale wahrnehmen, ihre Form und mechanischen Eigenschaften an ihre Umgebung anpassen. Seit vielen Jahren träumen Chemiker und Materialwissenschaftler daher von einer neuen Form intelligenterer synthetischer Materialien, deren Struktur auf molekularer Ebene gestaltbar ist, die sich selbst organisieren und aktiv auf ihre Umgebung reagieren. Für biotechnologische und medizinische Anwendungen sind solche biologisch-inspirierten Materialien von höchstem Interesse. Sie erlauben effizientere Verfahren zur Trennung diagnostisch relevanter Moleküle, empfindlichere Sensoren und bessere Substrate zum Wachstum biologischer Zellgewebe. Der Aufbau derartiger Materialien stellt jedoch eine große Herausforderung für die Materialwissenschaft dar. Nicht-kovalente Bindungen, die eine zentrale Rolle in biologischen Materialien spielen, sind aufgrund mangelhafter Spezifität äußerst schwer zu kontrollieren. Somit lassen sich die Eigenschaften dieser Materialien nur schwer vorhersehen, geschweige denn rational gestalten. Das Projekt proDNAmat befasste sich mit dem Aufbau einer programmierbaren und modular erweiterbaren Materialplattform basierend auf DNA-quervernetzten Hydrogelen (Ziel 1), der Entwicklung empfindlicherer und günstigerer Next-Generation Sequencing (NGS) Diagnostik (Ziel 2), Point-of-Care Detektion Pathogen-spezifischer Nukleinsäuren (Ziel 3), sowie der Nutzung der Materialien als druckbare und rekonfigurierbare 3D Matrizen für Stammzellen und Organoide (Ziel 4). Wie im Folgenden beschrieben, konnten in allen Teilbereichen signifikante Erfolge erzielt werden.