Eine Suche zwischen zehn Billiarden DNA-Molekülen

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) trägt die Erbinformation im Menschen. Sie dient als Speicher für die genetischen Merkmale im Zellkern und beinhaltet einen Protein-Bauplan für die Zellen. DNA kann noch mehr: Die Säure kann auch chemische Reaktionen beschleunigen.

Dieses Potenzial der Nukleinsäuren (RNA, DNA) entdeckte im Jahr 1980 der US-amerikanische Chemiker Thomas Cech. Wenig später entwickelten Forscher In-vitro-Selektion als Methode, RNA- oder DNA-Moleküle für spezifische chemische Reaktionen zu identifizieren.

Auf die Methode der In-vitro-Selektion baut Dr. Martin Voleks Forschungsarbeit auf. Der aus Tschechien stammende Wissenschaftler ist aktuell zu Gast in der Arbeitsgruppe von Professorin Claudia Höbartner, Leiterin des Lehrstuhls für Organische Chemie I der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU). Den Aufenthalt ermöglicht ihm ein Stipendium der Alexander von Humboldt-Stiftung.

Ein Sensor, um DNA-Modifikationen unterscheiden zu können

Das Ziel von Dr. Voleks Projekt in Würzburg ist es, DNA-Moleküle zu isolieren, die zwischen dem methylierten und dem unmethylierten Zustand zweier DNA-Basen (Cytosin und Adenosin) unterscheiden können. „Wenn ich erfolgreich bin, erhalten wir damit Werkzeuge, um DNA-Methylierungsenzyme besser zu untersuchen. Die DNA-Methylierung ist eine entscheidende epigenetische Modifikation. Fehler und Fehlregulationen bei der DNA-Methylierung stehen oft im Zusammenhang mit Krebs“, erklärt Volek.

„Katalytische DNA-Moleküle sind wie ein Schweizer Taschenmesser“, sagt der Humboldt-Stipendiat. Die Moleküle seien zwar kein Heilmittel, könnten aber die Überlebenschancen erhöhen. Die Herausforderung des Projekts besteht darin, das richtige DNA-Molekül zu finden. „In einem typischen In-vitro-Selektionsexperiment beginnen wir mit zehn Millionen mal einer Milliarde – also zehn Billiarden – zufälliger DNA-Moleküle. Am Ende wollen wir nur ein einziges DNA-Molekül, das jedoch über die gewünschte katalytische Funktion verfügt“, sagt Volek.

Die Forschungsgruppe von Professor Höbartner hat mittels In-vitro-Selektion das erste Methyltransferase-Ribozym isoliert – ein RNA-Molekül, das in der Lage ist, ein anderes RNA-Molekül zu methylieren. Darüber hinaus haben sie auch DNA-Moleküle isoliert, die in der Lage waren, RNA-Methylierung nachzuweisen. „Das Wissen und die Erfolgsbilanz sind in der Gruppe bereits vorhanden, was mir Hoffnung für meine Forschung gibt“, sagt Volek.

Eine erfolgreiche Suche

Dass sich die Suche nach einzelnen DNA-Molekülen lohnen kann, hat Martin Volek an der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik bereits bewiesen. Mit Hilfe der In-vitro-Selektion entdeckte er zwei DNA-Moleküle, die fluoreszierende Signale erzeugen können. „Ich nannte das eine Aurora nach der römischen Göttin der Dämmerung und das andere Apollon nach dem römischen Gott des Lichts. Aurora emittiert lilafarbiges und Apollon gelbes Licht“, beschreibt der Humboldt-Stipendiat.

Martin Volek entwickelte einen Sensor, der sich die Eigenschaften von Aurora zunutze macht. Er konzentrierte sich dabei auf ein Enzym (Nsp15) des Coronavirus (SARS-CoV-2). Der Aurora-Sensor war zunächst inaktiv, doch sobald das Enzym in der Lösung vorhanden war, erzeugte Aurora violettes Licht.

Der Sensor wurde später eingesetzt, um im Rahmen eines Screenings, bei dem Tausende von kleinen Molekülen getestet wurden, Inhibitoren für das Enzym zu identifizieren. Diese Inhibitoren könnten als Grundlage für neue antivirale Medikamente dienen. Dem Chemiker zufolge könnten Aurora und Apollon auch bei der Entwicklung einer neuen Generation von Virustests helfen.

Zur Person

Martin Volek wurde in Pilsen (Tschechien) geboren. Sein Bachelor- und Masterstudium sowie seine Promotion absolvierte er in Biochemie an der Universität Prag. Bereits während seines Studiums begann Volek an der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik zu arbeiten. Dort verlegte er seinen fachlichen Schwerpunkt auf die chemische Biologie.

Grund für den Fachwechsel war Voleks Faszination über den Ursprung des Lebens und die RNA-Welt-Hypothese: „Die grundlegende Frage fasziniert mich und gibt mir nach wie vor Rätsel auf: Wie ist das Leben, wie wir es kennen, entstanden, und wie sah es in den Anfängen der Erde aus?“ Nach der RNA-Welt-Hypothese basierte das Leben an einem Zeitpunkt in der Evolution rein auf katalytischen Nukleinsäuren. „Deswegen finde ich die Isolation neuer katalytischen Nukleinsäuren so faszinierend. Sie geben uns einige Hinweise auf dieses ungelöste Rätsel des Lebens“, so der Wissenschaftler.

Für seine Forschung an Aurora und Apollon erhielt Martin Volek mehrere Auszeichnungen, darunter den Preis Česká hlava (zu Deutsch: „Tschechischer Kopf“) 2025 in der Kategorie Naturwissenschaften. Dieser gilt als höchste wissenschaftliche Auszeichnung in Tschechien.

Seit April 2025 ist Martin Volek an der JMU. Sein Humboldtstipendium läuft seit dem 1. Oktober 2025 für zwei Jahre.

Kontakt

Dr. Martin Volek, Lehrstuhl für Organische Chemie I, T +49 931 31-86091, martin.volek@uni-wuerzburg.de