Aus Schutz wird Funktion – programmierbare Silikahüllen für DNA Origami Nanostrukturen

DNA Origami ermöglicht die Her­stel­lung hochpräziser Nanostrukturen, die beispielsweise als Träger für Wirk­stof­fe, als Gerüst für funktionelle Materialien oder für biomedizinische und biokatalytische Anwendungen genutzt werden können. Eine Herausforderung besteht jedoch in der begrenzten Stabilität solcher Strukturen, insbesondere unter biologisch-relevanten Bedingungen. Die Heuer-Jungemann Gruppe etablierte daher eine Methode um Strukturen mit einer dünnen Silikahülle zu beschichten und sie somit wirksam zu schützen und ihre Einsatzmöglichkeiten erheblich zu erweitern.

Bislang diente diese Silikahülle jedoch vor allem als passive Schutzschicht. Das Dortmunder Forschungsteam zeigt nun erstmals, dass sich die Eigenschaften der Silikahülle gezielt über ihre che­mi­schen Bausteine programmieren lassen. Hierfür wurden spezielle Siliziumverbindungen während der Silikabildung direkt in das entstehende Silikanetzwerk eingebaut. Dadurch erhält die Hülle zusätzliche Funktionen, ohne ihre schützenden Eigenschaften zu verlieren.

Als Machbarkeitsstudien demonstrierten die Forschenden zwei unterschiedliche Funktionalisierungen. Durch einen neu entwickelten fluoreszenzmarkierten Silan-Baustein konnten sowohl ein­zel­ne DNA-Nanostrukturen als auch mikrometergroße DNA-Kristalle mit einer fluoreszierenden Silikahülle versehen werden. Diese ermöglicht es erstmals, nicht nur die DNA selbst, sondern auch die schützende Silikahülle in biologischen Systemen zu verfolgen. Darüber hinaus entwickelten die Forschenden eine Silikahülle mit eingebauten Disulfidbrücken, die sich unter reduzierenden Bedingungen gezielt wieder auflösen lässt. Solche stimuli-responsiven Beschichtungen könnten künftig beispielsweise für kontrollierte Freisetzungsprozesse von Therapeutika oder intelligente Hybridmaterialien genutzt werden.

Neben diesen beiden Anwendungen liefert die Studie auch grundlegende Erkenntnisse darüber, wie die chemische Struktur unterschiedlicher Silan-Bausteine die Bildung des Silikanetzwerks beeinflusst. Die Ergebnisse schaffen damit eine Grundlage für die Ent­wick­lung weiterer maßgeschneiderter Silikabeschichtungen und eröffnen neue Möglichkeiten für Anwendungen in Materialwissenschaften, der Biosensorik, der Biomedizin oder der Biokatalyse, bei denen sich die Eigenschaften der DNA Origamistruktur, sowie der schützenden Silikahülle gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen lassen.

Pub­li­ka­tion

A. V. Baptist, L. Guericke, P. Mauker, O. Thorn-Seshold, A. Heuer-Jungemann
Programmable Functional Silicification of DNA Origami Nanostructures
Adv. Mater. 2026, DOI: 10.1002/adma.74516