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Neues EXIST-Projekt "DyNAtrix" revolutioniert Zellkultur-Biotechnologie

Das neue Forschungsprojekt "DyNAtrix: Dynamische Matrizen für präzise kontrollierbare Zell- und Organoidkulturen" unter der Leitung von Dr. Elisha Krieg ermöglicht bedeutende Fortschritte in der 3D-Zellkulturtechnologie, die für die Erforschung von Krankheiten und die Entwicklung neuer Medikamente von entscheidender Bedeutung sind. Das Vorhaben wird im Rahmen des Programms EXIST-Forschungstransfer des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit einem Finanzvolumen von ca. einer Million Euro gefördert. Ziel ist es, eine völlig neuartige Polymermatrix als Basis für bessere Zellkulturen zur Marktreife zu entwickeln.

Innovative Lösung für wichtige biomedizinische Herausforderungen

3D-Zellkulturen sind eine Schlüsseltechnologie der modernen Biowissenschaften. Sie ermöglichen es, biologische Strukturen und Prozesse im Labor realitätsnah nachzuvollziehen und liefern so wertvolle Grundlagen für dringend benötigte medizinische Innovationen.

Polymer-basierte Matrizen lassen dabei Zellen in einer Umgebung wachsen, die der von natürlichen Geweben und Organen ähnlich ist. Trotz des rasanten Wachstums des Marktes für Zellkulturmatrizen sind die verfügbaren Materialien durch mangelnde Reproduzierbarkeit und eingeschränkte Steuerbarkeit der Eigenschaften begrenzt. Um diese Probleme zu lösen, haben Forscher des IPF das Materialsystem DyNAtrix entwickelt. Das zum Patent angemeldete System beruht auf synthetischen DNA-Nano-Modulen und ermöglicht so eine bislang unerreichte Feinsteuerung der mechanischen Eigenschaften von Zellkulturen. Die Matrix wurde bereits erfolgreich mit verschiedenen menschlichen Zelltypen und Organoiden getestet und eignet sich zudem für den 3D-Druck von modellhaften Gewebestrukturen.

Von der Forschung zur Kommerzialisierung

Die Idee zu DyNAtrix entstand im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts "proDNAmat", das die Eignung von DNA-Nanotechnologie zur Steuerung der mechanischen Eigenschaften von Zellkulturen belegen konnte. Durch gezielte Weiterentwicklung soll DyNAtrix nun als standardisierte Zellkultur-Baukastenlösung auf den Markt gebracht werden, um Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit die präzisere Erforschung biologischer Prozesse zu ermöglichen.

Klassische Polymerforschung und DNA-Nanotechnologie kombiniert

Aus wasserlöslichen Polymeren hergestellte Hydrogele können durch DNA-Nano-Module in ihren dynamischen mechanischen Eigenschaften so gestaltet werden, dass sie Zellkulturen zu noch besseren Modellen für lebende Strukturen machen. Als synthetisch hergestelltes, chemisch definiertes Produkt zeichnet sich DyNAtrix durch hohe Reinheit und Reproduzierbarkeit aus – ideal für Anwendungen in der klinischen Forschung, der Medikamentenentwicklung und der Kosmetikindustrie. Die Handhabung ist einfach: Durch das Mischen von wässrigen Flüssigkeiten, die DNA-Nanomodule und Polymere enthalten, bilden sich maßgeschneiderte Gele. Diese Gele können bei Bedarf während der Zellkultur weiter angepasst werden. Vorteilhaft ist auch, dass DyNAtrix als Pulver ohne Kühlung transportiert und über Jahre gelagert werden kann, was kostengünstig und umweltfreundlich ist.

Großes Potenzial für die Lebenswissenschaften

DyNAtrix stößt bereits jetzt auf großes Interesse in der wissenschaftlichen Community und der Industrie. Das Materialkonzept wurde 2023 in der renommierten Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht (Peng, YH., Hsiao, SK., Gupta, K. et al. Dynamic matrices with DNA-encoded viscoelasticity for cell and organoid culture. Nat. Nanotechnol. 18, 1463–1473 (2023); DOI) und auf internationalen Konferenzen präsentiert. Zur Anwendung von DyNAtrix besteht eine besonders enge Zusammenarbeit der Entwickler mit Forschern des Exzellenzclusters Physik des Lebens (Physics of Life – PoL) sowie mit Forschungsgruppen am Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) und am Center for Regenerative Therapies Dresden (CRTD).

Die innovative Materialplattform hat das Potenzial, die Forschung nachhaltig zu verändern und neue Möglichkeiten für personalisierte Medizin, Tissue Engineering und pharmazeutische Forschung zu erschließen.

 

Weiterführende Links

 

 --- ENGLISH ---

 

New EXIST project “DyNAtrix” revolutionizes cell culture biotechnology

The new research project “DyNAtrix: Dynamic matrices for precisely controllable cell and organoid cultures”, led by Dr. Elisha Krieg, enables significant advances in 3D cell culture technology, urgently needed for disease research and drug development. The project will receive approximately one million euros in funding from the EXIST Transfer of Research program of the German Federal Ministry for Economic Affairs and Climate Protection (BMWK). Its goal is to develop a groundbreaking polymer matrix that serves as the foundation for enhanced cell cultures and to bring it to market readiness.

Innovative solutions for critical biomedical challenges

3D cell cultures are a key technology in modern biosciences. They enable the realistic replication of biological structures and processes in the lab, providing valuable groundwork for crucial medical innovations.

Polymer-based matrices allow cells to grow in an environment that mimics the natural structure of tissues and organs. Despite the rapid growth of the market for cell culture matrices, existing materials have significant limitations, including poor reproducibility, restricted adaptability of material properties, and limited cell compatibility. To address these challenges, researchers at the IPF have developed the DyNAtrix material platform. This patent-pending system, based on synthetic DNA nano-modules, allows for unrivaled control over the mechanical properties of cell cultures. The matrix has already been successfully tested with various human cell types and organoids and is also suitable for 3D printing of tissue models.

From research to commercialization

The idea for DyNAtrix originated from the project “proDNAmat”, funded by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF), which demonstrated the potential of DNA nanotechnology in controlling the mechanical properties of cell cultures. Through further development, DyNAtrix will be launched as a standardized cell culture kit, enabling scientists worldwide to conduct more precise studies of biological processes.

Combining classical polymer chemistry and DNA nanotechnology

Hydrogels made from water-attracting polymers can be engineered with DNA nano-modules to dynamically adjust their mechanical properties, making cell cultures even better models for living tissues. As a synthetically produced and chemically defined product, DyNAtrix is characterized by high purity and reproducibility, which is ideal for applications in clinical research, drug development, and the cosmetics industry. Its handling is simple: by mixing together two liquids containing polymer molecules and DNA, customized gels are formed in minutes. These gels can be further adapted as required during cell culture. Another advantage is that DyNAtrix can be transported as a powder without refrigeration and stored for more than five years, making it both cost-effective and environmentally friendly.

Disruptive potential for life sciences

DyNAtrix has already garnered significant attention from both the scientific community and industry. The material concept was published in 2023 in the prestigious journal Nature Nanotechnology (Peng, YH., Hsiao, SK., Gupta, K. et al. Dynamic matrices with DNA-encoded viscoelasticity for cell and organoid culture. Nat. Nanotechnol. 18, 1463-1473 (2023); DOI) and presented at international conferences. Strong collaborations have been formed between the developers and researchers from the Cluster of Excellence Physics of Life (PoL), as well as research groups at the Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) and the Center for Regenerative Therapies Dresden (CRTD).

The innovative material platform has the potential to transform research in the life sciences and open up new possibilities for personalized medicine, tissue engineering, and pharmaceutical research.

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14.02.2025

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