Aptamere - neue molekulare Erkennungselemente


Aptamere sind kurze einzelsträngige Nukleinsäure-Oligomere (RNA oder ssDNA). Sie werden aufgrund ihrer Vorteile dem Bedarf an selektiveren und sensitiveren Erkennungsmodulen für zunehmend empfindlichere Nachweismethoden gerecht, die für die Detektion und Quantifizierung von Molekülen in Naturwissenschaft und Medizin gefragt sind.

Der Begriff "Aptamer" leitet sich vom lateinischen aptus (= passend) und dem griechischen meros (= Teil) ab und wurde gewählt, um die "Schlüssel-Schloss-Beziehung" zwischen Aptameren und ihren Bindungspartnern zu veranschaulichen. Auf Grund der Vielfältigkeit der Strukturen, die Aptamere ausgebilden können, sind sie in der Lage, nahezu alle Stoffklassen an Zielmolekülen zu erkennen und "passgenau" - analog einer Antigen-Antikörper-Bindung - zu binden. So wurden bereits Aptamere entwickelt für Atome und kleine Moleküle, für Aminosäuren, Peptide, Polysaccharide und Proteine, aber auch für komplexe Strukturen wie Viren und einzellige Organismen. Die Aptamer-Target-Bindung erfolgt dabei über die Strukturkompatibilität beider Bindungspartner, über elektrostatische Wechselwirkungen (z.B. Van der Waals-, Ionen-, Dipolkräfte), Wasserstoffbrückenbindungen oder so genannte "Stacking Interactions" bei aromatischen Ringstrukturen (Stapelkräfte durch Elektronenwechselwirkung mit den Nachbarbasen).
Zur Gewinnung von Aptameren wird eine in vitro Selektions- und Amplifikations-Technik eingesetzt, die auch als SELEX-Prozess (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) bezeichnet wird (auch in vitro Selektion oder in vitro Evolution).

Ausgangspunkt des Prozesses ist eine kombinatorische Zufallsbibliothek, bestehend aus einzelsträngigen Nukleinsäuren (RNA, ssDNA oder modifizierte Nukleinsäuremoleküle). Gewöhnlicherweise werden ca. 1015 verschiedene Moleküle eingesetzt. Angesichts dieser Vielfalt möglicher Strukturen ist es sehr wahrscheinlich, dass für nahezu jedes gewünschte Target auch mindestens ein Bindungspartner (Aptamer) selektiert werden kann. Zur Anreicherung dieser Target-bindenden Strukturen wird die Oligonukleotid-Bibliothek einem geeigneten Selektionsprozess in Gegenwart des Zielmoleküls unterzogen. Dabei werden funktionelle von nicht funktionellen Nukleinsäuren abgetrennt. Die mit dem Zielmolekül interagierenden Aptamere werden vervielfältigt und wiederholten Selektionszyklen unterzogen, die iterativ durchlaufen werden bis die funktionellen Sequenzen im Oligonukleotidpool dominieren. Die im Pool angereicherten Oligonukleotide werden anschließend mittels Klonierung vereinzelt, sequenziert und charakterisiert. Im Ergebnis des Prozesses stehen die selektierten Aptamere für einen Einsatz entsprechend ihres Aufgabengebietes zur Verfügung.

SELEX - Prinzip
SELEX - Prinzip
Grafik: R. Stoltenburg

In unserem Labor wurden zwei Modifikation der in vitro Selektionsprozedur entwickelt: der so genannte FluMag-SELEX, der charakterisiert ist durch die Verwendung fluoreszenzmarkierter Einzelstrang-DNA und der Immobilisierung der Targetmoleküle auf Magnetic Beads, und der Capture-SELEX, bei dem die Targetmolküle in gelöster Form verwendet werden, während die Oligonukleotid-Bibliothek bzw. die slektierten Oligonukleotide auf Magnetic Beads gebunden werden (s. Stoltenburg, R.; Nikolaus, N.; Strehlitz, B. (2012) Capture-SELEX – selection of DNA aptamers for aminoglycoside antibiotics, Journal of Analytical Methods in Chemistry, Volume 2012, Article ID 41569).

Drittmittelprojekte Aptamere

Neue Ansätze zur Diagnose der sporadischen Alzheimer-Krankheit und der neuen Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit
Laufzeit 2004 - 2006
Teilaufgabe UFZ: "Entwicklung von Aptameren"
Kooperation im Projekt der Uni Leipzig, SMWK (EFRE) 4212/04-14
Koordinator: Prof. R.Hoffmann, Universität Leipzig/BBZ
Partner: Priontype GmbH Leipzig

Entwicklung von Aptameren für Biosensoren
Laufzeit 2001-2003
SMUL AZ 13-8811.61/93