Koffein steckt in Kaffee, Energiegetränken und Medikamenten. Doch was, wenn wir Koffein nicht nur konsumieren, sondern auch als molekularen Schalter nutzen könnten? Genau das ist einem internationalen Forschungsteam der TU Darmstadt und der University of Edinburgh gelungen. In einer aktuellen Studie, veröffentlicht in „Nucleic Acids Research“, präsentieren sie ein neues RNA-Aptamer, also ein Molekül, das spezifisch auf Koffein reagiert und in verschiedenen synthetischen RNA-Werkzeugen eingesetzt werden kann.

Ribonukleinsäure (RNA) ist ein Molekül, das genetische Informationen überträgt und vielfältige Aufgaben in den Zellen übernimmt. RNA-Aptamere sind dabei kurze RNA-Sequenzen, die komplexe dreidimensionale Strukturen bilden und dadurch gezielt Moleküle wie Koffein binden können. Einige Aptamere verändern dabei ihre Struktur – eine Eigenschaft, die sich in der synthetischen Biologie nutzen lässt, um steuerbare RNA-Werkzeuge zu entwickeln.

Die Herausforderung bestand darin, dass bisher nur wenige RNA-Aptamere ihre Struktur nach der Bindung an ein Molekül so verändern, dass sie sich als Bausteine eignen – etwa für Riboschalter (Elemente, die Gene an- oder ausschalten), für Aptazyme (selbstschneidende RNA-Moleküle) oder als Biosensoren zum Nachweis bestimmter Stoffe.

Traditionelle Selektionsmethoden konzentrierten sich vor allem darauf, Aptamere mit hoher Bindungsstärke zu finden. Ob sie dabei auch ihre räumliche Struktur verändern können, spielte dagegen kaum eine Rolle. Genau diese Eigenschaft ist jedoch entscheidend, um RNA-Werkzeuge gezielt zu steuern. Hier setzt die neue Studie an: Die Autor:innen entwickelten ein Verfahren, mit dem sie ein Koffein-Aptamer identifizierten, das nicht nur Koffein bindet, sondern dabei auch gezielt Veränderungen in der RNA-Struktur auslöst.

Ein modulares Aptamer für vielfältige Anwendungen
Mit einem neu entwickelten Auswahlverfahren identifizierten die Hauptautoren Leon Kraus und Vincent Gunawan ]vom Fachbereich Biologie der TU Darmstadt aus einer Bibliothek unterschiedlicher RNA-Sequenzen ein Aptamer, das gezielt auf Koffein reagiert. Das Aptamer erwies sich als vielseitig einsetzbar: Es kann die Aktivität von Genen in Hefe- und Säugetierzellen steuern und dient als Grundlage für einen Biosensor, der Koffein bereits in geringen Konzentrationen nachweist.

Sortieren mit Licht: Hochdurchsatz-Screening auf Optofluidik-Chips
Für die Suche nach besonders leitungsfähigen Aptazymen nutzte das Team die Beacon®-Optofluidik-Plattform an der University of Edinburgh. Mit dieser Technologie lassen sich Tausende einzelen Zellen gleichzeitig untersuchen und gezielt auswählen. So konnten die Forschenden zahlreiche Varianten schnelle vergleichen und 20 vielversprechende Aptazyme identifizieren, von denen sich 14 deutlich durch Koffein steuern ließen.

Dynamische RNA-Strukturen mit großem Potenzial
Die neuen RNA-Werkzeuge eröffnen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. In der Medizin könnten sie künftig dazu beitragen, Gene gezielt an- oder auszuschalten – etwa in der Krebsforschung oder bei metabolischen Erkrankungen. Der entwickelte Biosensor kann zum Nachweis von Koffein in Wasserproben genutzt werden, was für die Überwachung von Abwässern oder Trinkwasserqualität relevant ist.

Die Studie zeigt außerdem, dass sich Koffein als Steuermolekül für RNA-Werkzeuge eignet. Damit eröffnet sie neue Möglichkeiten, künftig auch für andere Moleküle steuerbare RNA-Werkzeuge zu entwickeln.