Biologische Fotolithografie und RNA-Synthese

RNA als Mikrochip

Wissenschaftler haben einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, mit dem RNA hocheffizient chemisch synthetisiert werden kann.

© pexels/CC0 Public Domain

Ribonukleinsäure (RNA) zählt neben DNA und Protein zu den drei primären biologischen Makromolekülen und war wahrscheinlich auch das erste, welches den frühen Formen des Lebens entsprang. RNA ist in Zellen allgegenwärtig. Sie ist für den Transport von Information aus dem Nukleus, die Regulation der Genexpression und die Proteinsynthese zuständig. Manche RNA-Moleküle, speziell bei Bakterien, katalysieren auch biochemische Reaktionen und dienen als Sensoren für Umweltsignale. ChemikerInnen der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University (Montréal, Kanada) haben nun einen neuen synthetischen Ansatz entwickelt, mit dem RNA nach Angaben der Universität Wien etwa eine Million Mal effizienter chemisch synthetisiert werden kann als zuvor.

Die chemische Synthese von DNA und RNA begann in den frühen Zeiten der Molekularbiologie, wobei ihre Anfänge in den 60er Jahren insbesondere auf die Arbeiten des Nobelpreisträgers Har Gobind Khorana zur Entschlüsselung des genetischen Codes zurückgehen. Seither gab es bedeutende Entwicklungen in der Synthesechemie. Die RNA-Synthese blieb ein schwieriges Forschungsgebiet mit vergleichsweise geringen Fortschritten, da die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schutzgruppe an der 2'-Hydroxylgruppe des RNA-Ribosezuckers eine besondere Herausforderung darstellt. ChemikerInnen des Instituts für Anorganische Chemie an der Fakultät für Chemie der Universität Wien und der McGill University konnten die RNA-Synthese nun einen großen Schritt voranbringen.

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Halbleiter-Technologie und Synthese
Um die chemische Syntheseeffizienz zu steigern, vereinten die ChemikerInnen zwei Schlüsselkonzepte: Die Fotolitografie aus der Halbleiter-Herstellung und die Entwicklung einer neuen Schutzgruppe.

Zunächst adaptierten die ChemikerInnen fotolithografische Fertigungstechnologien aus der Halbleiter-Chip-Industrie, die üblicherweise für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet werden, für die chemische Synthese von RNA. Eine biologische Fotolithografie ermöglicht es, RNA-Chips mit einer Dichte von bis zu einer Million Sequenzen pro Quadratzentimeter herzustellen. Statt ultraviolettem Licht, das bei der Herstellung von Computerchips für die Siliziumätzung und -dotierung genutzt wird, greifen die ForscherInnen auf UV-A-Licht zurück. "Kurzwelliges ultraviolettes Licht wirkt sich sehr destruktiv auf RNA aus – wir sind bei der Synthese deshalb auf UV-A-Licht beschränkt", erklärt Mark Somoza vom Institut für Anorganische Chemie.

Darüberhinaus fanden die ForscherInnen auch eine neue Schutzgruppe für die RNA-2'-Hydroxylgruppe, die mit photolitographischer Synthese kompatibel ist, nämlich Acetallevulinylester (ALE). “Die Kombination von hohen Syntheseausbeuten und der einfachen Handhabung rückt die Herstellung von längeren und funktionalen RNA-Molekülen auf Mikrochips in absehbare Zukunft“, sagt Jory Liétard, Post-Doc der Gruppe von Mark Somoza.

Die Forschungsarbeit an RNA-Mikroarrays wurde durch den Österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung, den Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung und den Natural Sciences and Engineering Council of Canada finanziert.

Publikation:
J. Lietard, D. Ameur, M. J. Damha, M. M. Somoza: In situ Synthese von high-density RNA Mikroarrays mittels Photolithographie; in: Angewandte Chemie; doi: 10.1002/anie.201806895

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