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INSIDER-Newsletter | Ausgabe 01, Mai 2021

DNA-Origami als Nano-Wirkstoffnachweis

HZDR-Chemikerin mit Universitätspreis ausgezeichnet

Die Universität Paderborn hat Dr. Charlotte Kielar vom Institut für Ressourcenökologie im Januar mit ihrem Dissertationspreis 2020 ausgezeichnet. Den Preis bekam die Chemikerin für ihre Arbeiten zu Nanostrukturen auf Basis von DNA-Origami. Darin zeigt sie, dass die komplexen Materialien unter bestimmten Bedingungen stabiler sind als bislang angenommen und sich für den Einsatz in der Wirkstoffdetektion (Wirkstofffindung) nutzen lassen. Insbesondere im Bereich der Biomedizin ebnen die Ergebnisse den Weg für neuartige Anwendungen. Zusammen mit der Auszeichnung erhielt Charlotte Kielar ein Preisgeld in Höhe von 2.000 Euro.

Dr. Charlotte Kielar ©Copyright: Daniel Dornbusch

Dr. Charlotte Kielar (Institut für Ressourcenökologie)

Foto: Daniel Dornbusch

„Frau Dr. Kielars herausragende Dissertation hat das Gebiet der DNA-Nanotechnologie massiv vorangebracht und bisher ungeahnte Anwendungsmöglichkeiten im Wirkstofftransport, in der Wirkstoffsuche und in zahlreichen nicht-medizinischen Bereichen eröffnet“, äußert sich PD Dr. Adrian Keller, Charlotte Kielars früherer Forschungsgruppenleiter an der Universität Paderborn, in der Laudatio anerkennend.

Bei den von Kielar untersuchten DNA-Origami handelt es sich um gefaltete Erbgutstränge, die beliebige zwei- und dreidimensionale Formen auf der Nanoskala annehmen können. Gegenüber konventionellen Nanopartikeln bieten sie zahlreiche Vorteile: Sie sind biokompatibel, bioabbaubar und ungiftig. Zudem lassen sie sich mit medizinischen Wirkstoffen beladen und können spezifische Zelltypen zielgenau ansteuern. Dadurch spielen sie unter anderem in der Krebstherapie eine wichtige Rolle. Bei ihrer Herstellung kommen hohe Konzentrationen von Magnesiumionen zum Einsatz, die die Abstoßung zwischen den einzelnen DNA-Strängen kompensieren.

Indem Kielar die Stabilität der DNA-Origami unter verschiedenen Umgebungsbedingungen mit unterschiedlichen Salzen und pH-Werten bestimmte, konnte sie frühere Annahmen widerlegen und zeigen, dass nur eine minimale mikromolare Mg2+‑Konzentration notwendig ist, um die Nanostrukturen ausreichend zu stabilisieren. Zudem fand sie heraus, dass die synthetische DNA, die bei der Herstellung von DNA-Origamis Verwendung findet, im gefrorenen Zustand über mehrere Jahre hinweg gelagert werden kann. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für die Massenproduktion von DNA-Origami-Therapeutika erfüllt, die, wie alle Arzneimittel, möglichst lange haltbar sein müssen.

Neuartiger Hemmstoff für Verdauungsenzym entdeckt

Kielars Forschungen gehen jedoch über reine Anwendungen im Wirkstofftransport hinaus und erstrecken sich auch auf die Wirkstoffsuche: In einer Testreihe ordnete sie kleinste Arzneimittel-Fragmente, sogenannte Pharmakophore, geschickt auf DNA-Origami-Oberflächen an und untersuchte deren Bindung an medizinisch relevante Proteine mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM). Auf diese Weise gelang es ihr, mehrere Protein-Pharmakophor-Systeme auf nur einem Origami von 100 nm x 100 nm zu platzieren. Zum Vergleich: Diese Größe ist um das 600-fache kleiner als die durchschnittliche Dicke eines menschlichen Haares. Bei den Experimenten entdeckte Kielar außerdem einen neuartigen Hemmstoff für Trypsin, ein Verdauungsenzym, das im menschlichen Dünndarm Eiweiße zersetzt.

Zusammengenommen erbringt Charlotte Kielar in ihrer Dissertation den Nachweis, dass DNA-Origami stabil und flexibel genug sind, um der aktuellen Wirkstoffforschung ein vielversprechendes Material zur Arzneimittelfindung zu liefern. Darüber hinaus lassen sich mit den Nanostrukturen Wirkstoffkombinationen auch außerhalb von Organismen untersuchen, womit sie zu einer Verringerung der Anzahl von Tierexperimenten beitragen können. Dass an diesen Erkenntnissen großes Interesse besteht, drückt sich in den Publikationen aus, die aus der Arbeit hervorgegangen sind. Drei von ihnen sind in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie International Edition“ erschienen. In der Summe wurden ihre Publikationen bereits über 120-mal zitiert.

Charlotte Kielar bringt ihre Expertise auf dem Feld der AFM seit Oktober 2019 in die Forschung des Instituts für Ressourcenökologie ein und ist als Expertin international anerkannt. Sie erweitert damit das Methodenspektrum um ein äußerst vielseitiges bildgebendes Verfahren, das in zahlreichen Aktivitäten des Instituts für die Untersuchung biologischer und mineralischer Proben Verwendung finden soll.


Kontakt:

Dr. Charlotte Kielar
Institut für Ressourcenökologie
Tel.: +49 351 260 3247 | E-Mail: c.kielar@hzdr.de