Nano-Lego mit DNA-Bausteinen

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Die Grafik zeigt beispielhafte Nanostrukturen, für die Erbgut-Moleküle ideale Bausteine sind. Quelle: Technische Universität München

18.08.2009  - 

Schon seit einiger Zeit träumen Mediziner von winzigen Robotern, die verkalkte Arterien  freibaggern oder Verletzungen reparieren. Doch bis die ersten Nanomaschinen im Körper einsatzbereit sind, muss noch viel Forschungsarbeit geleistet werden. Ein großer Schritt ist jetzt deutschen und amerikanischen Forschern gelungen. Sie haben DNA dazu gebracht, sich zu krümmen und damit zu winzigen Gebilden zu formen. Das könnten die Bauteile für die ersten Zellroboter werden, schreiben die Forscher im Fachmagazin Science (Vol. 325, Ausg. 5941, S. 725-730).

Wie bei den großen Maschinen müssen auch bei den winzigen Nanokonstrukten der Zukunft zunächst einmal die Werkzeuge her, um sie zu bauen. Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Harvard University haben genau das getan: Sie entwickelten Methoden, um aus kurzen DNA-Molekülen Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen zu formen. In der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Science (Vol. 325, Ausg. 5941, S. 725-730) berichten sie über eine Reihe von Experimenten in der sie DNA in dreidimensionale Objekte falten konnten, inklusive einer kugelförmigen Gerüstkonstruktion mit nur 50 Nanometer Durchmesser. Die Gebilde erinnern an Schöpfungen japanischer Origami-Meister.

Die Forscher können die DNA-Stränge in verschiedenen Richtungen falten und verdrehen. Das ermöglicht eine Vielzahl an Formen.Quelle: Harvard University

Zahnräder, Rohre und Kapseln aus DNA

"Unser Ziel war es herauszufinden, ob wir DNA so programmieren können, dass sie sich selbst in Formen mit vorgegebenen Krümmungen und Windungen in der Größenordnung weniger Nanometer anordnet", erklärt der Biophysiker Hendrik Dietz, Professor an der Technischen Universität München. Er arbeitete an diesen Experimenten zusammen mit William Shih und Shawn Douglas von der US-amerikanischen Harvard University. "Es hat funktioniert," fügt er hinzu, "und wir können jetzt viele verschiedene dreidimensionale Bauteile im Nanobereich herstellen. Etwa Zahnräder oder gebogene Rohre und Kapseln." Diese Bauteile hoffen die Forscher einmal zu größeren, komplexeren Funktionseinheiten und schließlich zu ganzen Maschinen kombinieren zu können.

Als Medium für Konstruktionen im Nanobereich hat DNA in den Augen der Wissenschaftler zwei Vorteile: Desoxyribonukleinsäure ist ein intelligenter Werkstoff, nicht nur robust und zugleich flexibel sondern auch programmierbar. Zudem ist sie durch jahrzehntelange Arbeit sehr gut erforscht. Die Wissenchaftler nutzten dabei die in der DNA einprogrammierte Selbstorganisation - das Leiten der DNA Stränge in bestimmte vorgegebene Bündel von quer verknüpften Doppelhelizes -, veränderten die DNA aber auch durchg gezieltes Einfügen und Herausnehmen von Basenpaaren. Damit gaben sie den Bündeln die gewünschte Windung oder Krümmung vor.

Die Forscher konnten auf diese Weise nicht nur festlegen, ob die Windung rechts oder linksherum erfolgen sollte. Sie konnten darüberhinaus die entstehenden Formen präzise und kontrolliert verformen und so etwa Ringe mit einem ungewöhnlich kleinen Krümmungsradius von 6 Nanometern herstellen. Eine von den Wissenschaftlern entworfene Software mit grafischer Oberfläche erlaubt es, bestimmte Design-Konzepte in die dafür nötige DNA-Programmierung zu übersetzen. Dreidimensionale Objekte werden durch die Feinabstimmung von Anzahl, Anordnung und Länge der Helizes erzeugt.

Bein einer Ameise noch zu kompliziert

In ihrer Publikation präsentieren die Wissenschaftler eine große Auswahl an Nanogebilden und beschreiben im Detail wie sie geplant, hergestellt und validiert wurden. "Viele fortgeschrittene, makroskopische Maschinen benötigen seltsam geformte Teile um zu funktionieren," sagt Dietz, "und wir haben die Werkzeuge sie zu fertigen". An die Eleganz der Natur reichen die Wissenschaftler aber noch lange nicht heran. "Momentan können wir keine so komplizierten Gebilde generieren wie die Beine einer Ameise oder - noch viel kleiner - 10 Nanometer große chemische Fabriken wie ein Enzym", gibt Dietz zu. Aber jede Disziplin der Wissenschaft hat einmal klein angefangen. Und die Möglichkeiten sind vielversprechend. "Wir erwarten einen großen Nutzen, wenn wir nur miniaturisierte Maschinen im Nanobereich bauen könnten, aus Materialien die zuverlässig in unseren Körperzellen arbeiten - aus Biomolekülen wie DNA."