Dissipative, programmable, and functional DNA systems

Jung, Philippe; Herrmann, Andreas; Pich, Andrij

doi:HT031375802

Dissipative, programmable, and functional DNA systems

Jung, Philippe^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philippe Jung, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Herrmann, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Pich, Andrij (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10626
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023341/files/1023341.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
DNA (frei) ; biocatalysis (frei) ; dissipative self-assembly (frei) ; enzymatic reaction networks (frei) ; hydrogels (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Anders als die meisten künstlichen Materialien existiert Leben fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht. Lebende Organismen verbrauchen kontinuierlich energiereiche Moleküle, nutzen Konzentrationsgradienten und entwickelten komplexe enzymatische Netzwerke, um Organisation, Autonomie und Reaktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten. Diese dissipativen Prozesse ermöglichen es biologischen Systemen, zeitlich regulierte und anpassungsfähige Funktionen auszuführen und mit ihrer Umgebung zu interagieren. DNS hat sich aufgrund ihrer vorhersehbaren Basenpaarung, ihrer funktionalen Sekundärstrukturen und ihres hohen Maßes an Strukturprogrammierbarkeit zu einem vielversprechenden Baustein für die Entwicklung solcher lebensähnlichen Systeme entwickelt. Kapitel 1 liefert den wissenschaftlichen Kontext dieser Arbeit, stellt die Grundlagen der statischen DNA-Nanotechnologie vor und beschreibt biomolekulare Werkzeuge zur Modifikation, Amplifikation und Degradation von DNS. Zudem werden dissipative Prozesse in biologischen Systemen und der Stand DNS-basierter nichtgleichgewichtiger Systeme dargestellt. Kapitel 2 etabliert eine grundlegende dissipative Strategie zur Steuerung von Enzymaktivität mittels exonukleasevermittelter Degradation. Eine spezifische Regulationsstrategie wird genutzt, um die Aktivität eines aminosäurebasierten Enzyms und eines DNS-Enzyms durch synthetische DNS-Treibstoffe temporär zu steuern. Das temporäre Verhalten ergibt sich aus dem kontrollierten Abbau eines funktionsinduzierenden DNS-Treibstoffs, was autonome Aktivierungs- und Deaktivierungszyklen ermöglicht. Zusätzlich wird eine interne Strategie zur Kinetikmodulation durch ausnutzbare Überhangabhängige Abbaukinetik der eingesetzten Exonukleasen eingeführt. Kapitel 3 erweitert dieses Prinzip auf interkommunizierende DNS-Netzwerke, in denen zwei einzeln arbeitende Zyklen gekoppelt werden, sodass Informationen durch ein temporär aktiviertes DNS-Enzym weitergegeben werden, was die zeitlich begrenzte Aktivierung eines Protein-Enzyms ermöglicht. Dieses System erlaubt modulare Signalweitergabe und stellt einen Schritt hin zu dynamischer, verketteter und programmierbarer Kontrolle synthetischer DNS-Netzwerke dar. Kapitel 4 führt ein ATP-getriebenes enzymatisches Reaktionsnetzwerk ein, das DNS-Enzymaktivität durch das Zusammenspiel von spaltenden und ligierenden Enzymen reguliert. Das resultierende selbstregulierende System erlaubt eine präzise Kontrolle über die Lebensdauer des DNS-Enzyms. Eine Nickase wird dabei als neue regulatorische Komponente in synthetischen enzymatischen Reaktionsnetzwerken etabliert. Kapitel 5 überträgt ein ähnliches enzymatisches Reaktionsnetzwerk, basierend auf zwei antagonistischen Enzymen, auf weiche Materialien. Gezeigt wird die ATP-basierte Programmierung der Zersetzungskinetik von DNS-Hydrogelen. Die autonome Modulation der mechanischen Stabilität durch einen integrierten enzymatischen Zyklus zeigt, wie dissipative Prozesse die mechanischen Eigenschaften responsiver Materialien steuern können. Diese Kapitel demonstrieren, wie chemische Treibstoffe und molekulares Design genutzt werden können, um dissipative, programmierbare und funktionale DNA-basierte Systeme zu entwickeln und damit die Grundlagen zu legen für zukünftige Fortschritte in der adaptiven Nanotechnologie.

Unlike most man-made materials, life operates far from thermodynamic equilibrium, continuously consuming chemical fuels, exploiting concentration gradients, and orchestrating complex enzymatic networks to sustain its dynamic organization, autonomy, and responsiveness. These dissipative processes enable biological systems to perform temporally regulated, adaptable functions and interact with their environment. DNA, with its predictable base pairing, functional secondary structures and high degree of programmability, has become a compelling building block for designing such life-like systems. Chapter 1 provides the scientific context for this work by introducing the foundational principles of static DNA nanotechnology and the biomolecular tools employed for sequence-specific DNA modification, amplification, and degradation. It also offers an overview of dissipative processes in biological systems and highlights the current state of DNA-based out-of-equilibrium assemblies. Chapter 2 establishes a foundational dissipative control strategy for enzyme activity using exonuclease-mediated degradation. Distinct regulatory strategies were employed to transiently control the activity of an amino acid-based enzyme and a nucleic acid-based DNAzyme in response to synthetic DNA fuel strands. The transient behavior emerged from the controlled degradation of a functionality-inducing DNA fuel, enabling autonomous cycles of activation and deactivation. In addition to external control over the system’s lifetime, a novel internal strategy to modulate the system’s kinetics is introduced by harnessing the intrinsic toe-hold-dependent digestion kinetics of the employed exonucleases. Chapter 3 extends this principle to intercommunicating DNA networks, in which two individually operating cycles are coupled to transiently guide information flow from a transiently activated DNAzyme, which subsequently enabled the temporal activation of a protein enzyme. This setup allows for the propagation of signals across modular subsystems and represents a significant step toward more advanced dynamic, concatenated, and programmable control within synthetic DNA-based networks. Chapter 4 introduces an ATP-powered enzymatic reaction network to regulate DNAzyme activity through the antagonistic action of nucleic acid cleaving and ligating enzymes. The result was a tunable, autonomous cycle that allowed precise control over the lifetime of DNAzyme functionality, introducing nicking enzymes as regulatory elements within synthetic enzymatic reaction networks. Chapter 5 applies a similar ERN, built on the enzymatic interplay of two antagonistic enzymes, to soft matter systems, demonstrating ATP-fueled programming of degradation kinetics in DNA hydrogels. The ability to autonomously modulate the mechanical stability of a material via a built-in enzymatic cycle exemplifies how dissipative processes can govern the structural autonomy of responsive materials. Together, these chapters showcase how chemical fuels and molecular design principles can be combined to construct dissipative, programmable, and functionally rich DNA-based systems, adding to the groundwork for future developments in adaptive nanotechnology.

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