Strandverschiebung

Strandverschiebung, im Englischen meist strand displacement, ist eine Reaktion in der Molekulargenetik und DNA-Nanotechnologie. Dabei verdrängt ein einzelsträngiger DNA-Strang den ursprünglichen Partner aus einem Duplex, sodass ein neues Duplex und der verdrängte Strang entstehen. Der Prozess beruht auf spezifischer Basenpaarung und wird oft durch einen kurzen Überhang, den Toehold, gestartet.

Mechanismus: Der eindringende Strang bindet an den Toehold, initiiert Brückenmigration und verschiebt sich schrittweise durch Basenpaarung, bis der ursprüngliche Strang vollständig ersetzt ist. Die Reaktionskinetik hängt von Toehold-Länge und Sequenz, Temperatur und Ionenstärke ab und ist in der Regel unidirektional, wenn die resultierende Duplex-Stabilität größer ist als die Ausgangsstruktur.

Varianten und Design: Die gängigste Form ist die Toehold-mediated strand displacement. Durch Variation der Toehold-Sequenz und -Länge lassen sich Reaktionsgeschwindigkeit und Ausbeute steuern. Mehrstufige oder mehrsträngige Verschiebungen ermöglichen komplexe Reaktionspfade und logische Funktionen in der DNA-Nanotechnologie, wobei Entwurfsmethoden Fehlextraktionen reduzieren sollen.

Anwendungen: Strandverschiebung dient als Baustein in dynamischen Nanostrukturen, schaltbaren Geräten und molekularen Biosensoren. Sie ermöglicht programmierbare Reaktionen auf Eingaben durch spezifische Nukleotidsequenzen und kann zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen genutzt werden.

Herausforderungen: Zu den Einschränkungen zählen Leckagen, Off-Target-Bindungen und Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Salzgehalt. Entwurfsempfehlungen umfassen geeignete Toehold-Größen, Mismatch-Positionen und Sequenzauswahl, um Robustheit und Spezifität zu erhöhen.