In den 1960er Jahren war die Sache noch einfach: Wissenschaftler schrumpften ein U-Boot samt Crew auf Mikrobengröße und injizieren es in den Blutkreislauf eines Patienten. Es sollte zu einem Blutgerinnsel im Gehirn fahren und es mit einer Laserkanone vernichten. Im Sciencefiction-Film "Die Fantastische Reise" funktionierte das jedenfalls prima. Die menschlichen Gehirne der Besatzung arbeiteten unbeeindruckt von ihrem Größenverlust weiter, steuerten das U-Boot durch das Labyrinth des menschlichen Körpers und feuerten schließlich, nach Überwindung diverser Gefahren, den Laserstrahl auf das Gerinnsel ab.

Die Vision gibt es noch heute, in abgewandelter Form: Virusgroße Roboter sollen autonom durch den Blutkreislauf fahren und kranke Zellen zerstören oder gar reparieren. Um sich jedoch im Körper zurechtzufinden, und zu wissen, was wo behandelt werden muss, bräuchte ein solcher Nano-Roboter einen Bordcomputer und eine Datenbank. Auch für den Einsatz in einer Nano-Fabrik, in der molekülgroße Roboter Produkte aus einzelnen Atomen aufbauen, wäre eine Art von Programmierung notwendig.

Winziger Rasenmäher
© Paul Michelotti
(Ausschnitt)
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Der autonome, bewegliche Roboter aus DNA bewegt sich mit Hilfe von drei Beinen vorwärts und transportiert hier einen grünen Farbstoff. Dabei hangelt er sich entlang senkrechter DNA-Halme, an denen seine Beine haften.
Rudimentäre Nano-Roboter gibt es seit rund einem Jahrzehnt – es handelt sich dabei um Laufmaschinen in Molekülgröße. Doch bislang ist es nicht gelungen, sie zu programmieren. Zwei Forschergruppen haben nun ihren Arbeitszwergen beigebracht, neben der bloßen Fortbewegung elementare Roboteraktionen wie "gehe eine Kurve", "bleib stehen" oder "nehme eine bestimmte Fracht auf" auszuführen. Allerdings programmierten sie nicht die Roboter selbst, sondern ihre Umgebung [1, 2].

Rasenmäherprinzip

Beide Gruppen stellten Nano-Roboter aus der Erbsubstanz DNA her. Die des Teams um Milan Stojanovic von der Columbia University in New York erinnern an Spinnen. Ihre Körper bestehen aus einem Protein, an dem vier fadenförmige Beinchen aus DNA hängen, von denen die Spinne drei zum Laufen benutzt. Mit DNA-Molekülen markierten die Forscher auch den Weg. Schnipsel des Erbgutmoleküls ließen sie dazu senkrecht aus einer ebenen Unterlage herausstehen wie winzige Grashalme, die einen kurvigen Rasenweg markieren. Weil Halme und Beine zueinander passen, wie Schlüssel und Schloss, neigen sie dazu, sich miteinander zu verkleben.

Damit die Spinne nach vorne, sprich entlang des Weges, schreitet, ließen sich die Forscher einen Trick einfallen. Die Laufbeine bestehen aus speziellen DNA-Molekülen, so genannten DNA-Enzymen (DNAzyme), die die Halme auf der Unterlage abschneiden, kurz nachdem sie sich mit ihnen verbunden haben. An den abgemähten Halmen bleiben die Beinchen nicht lange haften, sondern suchen sich den nächsten Halm oder, falls dieser schon abgeschnitten ist, den übernächsten. Auf diese Weise mähen sie den vorgezeichneten Weg ab.

Eine Kurve programmierten die Forscher einfach, indem sie den Weg aus DNA-Halmen einen Bogen gaben. Da Forscher mittlerweile recht geübt darin sind, zweidimensionale "Blätter" mittels so genanntem DNA-Origami herzustellen, lässt sich die Form des Wegs und der daraus hervorragenden Grashalme genau kontrollieren.

Nanos am laufenden Band

Um das Maschinchen am unkontrollierten Losziehen zu hindern, übernahm das vierte Bein die Rolle eines Ankertaus. Es ist nach dem gleichen Prinzip an einem besonderen Halm befestigt, kann diesen aber nicht von allein abschneiden. Das Startkommando gab eine DNA-Sequenz, die das Ankertau kappte. Auch Stopp-Signale programmierten die Wissenschaftler: Bestimmte DNA-Halme am Ende des Weges, die sich von den DNAzymen nicht spalten lassen, bringen den Roboter zum Stehen.

Mit Hilfe von rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen zu verschiedenen Zeitpunkten verfolgten die Wissenschaftler die Bewegung von DNA-Robotern entlang des programmierten Weges. Es zeigte sich, dass viele von ihnen tatsächlich die Endposition erreichten und zwar mit einer Geschwindigkeit von einigen Nanometern (Millionstel Millimeter) pro Minute.

Dass sich im Prinzip auch Nanoprodukte mit Hilfe einer Art programmierbaren Nano-Fertigungsstraße herstellen lassen könnten, hat hingegen das Team um Nadrain Seeman von der New York University demonstriert. Auch sie arbeiteten mit DNA-Robotern, die aber nicht Spinnen, sondern eher einem rollenden Stern mit vier Strahlen ähnelten. Das jeweils unten liegende der vier DNA-Beine heftete sich dazu an eines von mehreren an der Unterlage befestigten DNA-Molekülen, die den Weg bildeten.

"Prototyp für eine molekulare Fabrik"

Er führte an drei feststehenden DNA-Maschinen vorbei. Jede davon hatte einen ausfahrbaren Ausleger, an dem Gold-Nanopartikel unterschiedlicher Größe hingen. Bei ihrem Defilee nahm jeder der DNA-Roboter mit einem von drei zusätzlichen Greifarmen die Partikel auf – und zwar nur dann, wenn der Ausleger einer Nano-Maschine ausgefahren war. Die Forscher programmierten die Fertigungsstraße, indem sie jede der drei Nano-Maschinen entweder ein- oder ausschalteten, sprich den Ausleger aus- oder einfuhren.

Am Ende dieser Fertigungsstraße hatten die DNA-Roboter je nach Programmierung gar kein, ein, zwei oder mehrere Nanopartikel im Gepäck. Insgesamt können auf diese Weise acht Variationen von Beladung programmiert werden. Mit einem Rasterkraftmikroskop zeigten die Forscher, dass die unterschiedlichen Nanopartikel tatsächlich von den verschiedenen Armen der Roboter aufgenommen wurden.

Dies sei der Prototyp für eine molekulare Fabrik, lobt der Biochemiker Lloyd Smith von der University of Wisconsin in Madison in einem begleitenden Kommentar [3]. Verglichen mit Stojanovics Nano-Rasenweg habe die Nano-Fertigungsstraße eine deutlich höhere Komplexität – was aber auf Kosten der Autonomie gehe, wie der Wissenschaftler bemerkt.

Denn das in die Umgebung der Nano-Spinnen geschriebene Programm läuft ohne weiteres Zutun ab. Das System von Seeman hingegen verlangt nach äußeren Eingriffen auf Schritt und Tritt – im wahrsten Sinne des Wortes: Nicht nur, dass die Stellung der Ausleger umgeschaltet werden muss, für jeden einzelnen Schritt vorwärts mussten die Forscher einen DNA-Strang zugeben, der für die nötige Bodenhaftung der Laufmaschine sorgte.