"DNA-Origami" ist dreidimensionales Puzzeln auf Nanometerniveau: Forscher erzeugen zunächst tausende künstliche Schnipsel aus Erbmaterial und bringen diese dazu, sich aneinander anzulagern. Weil Schnipsel bestimmter Sequenz immer nur mit Abschnitten passender Sequenz eine Verbindung eingehen, entsteht eine exakt definierte Konstruktion. Möglich sind nicht nur platte Scheiben, sondern auch Boxen, Dreiecke, Vielecke und vieles mehr.

Dieses Verfahren haben Forscher des Wyss Institute für Biologically Inspired Engineering der Harvard University nun um einen innovativen Dreh ergänzt: Mit Hilfe des DNA-Origami erzeugen sie zunächst hohle "Gussformen" mit Wänden aus DNA. In diese geben sie dann einen Wachstumskeim aus Gold und bringen Silberatome dazu, sich an den Keim anzulagern. Das Gebilde wächst und wächst – bis es schließlich den kompletten Innenraum der Form ausgefüllt hat.

Das Endergebnis ist ein Nanopartikel, dessen Gestalt dem Innenraum der Gussform entspricht. Es sei ganz ähnlich, als würde man eine Melone in einer Kiste wachsen lassen, wie es japanische Produzenten gelegentlich tun, erläutern Peng Yin und Kollegen.

In die Form gewachsen
© Peng Yin, Harvard's Wyss Institute
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernIn die Form gewachsen
Das Verfahren ähnelt dem Formen von Melonen durch eine Kiste – wenn auch auf Nanometerniveau: In einer Box aus DNA-Strängen züchteten die Forscher metallene Nanopartikel in Kastenform. Mit Elektronenmikroskopaufnahmen (unten) kontrollierten sie das Ergebnis.

Sie haben das Verfahren jetzt mit einer Vielzahl von dreidimensionalen Formen überprüft, zu den komplexesten zählten y-förmige Kästen, die ebenfalls komplett mit Silber ausgefüllt waren. Beim Bau der DNA-Gussformen verwendete das Team ein Verfahren, das in Teilen am eigenen Institut entwickelt wurde und für das bereits passende CAD-Software existiert, womit sich DNA-Origami-Strukturen designen und simulieren lassen.

Präzision ist größter Vorteil

Größter Vorteil des DNA-Formgusses ist seine Präzision: Die Form der Teilchen lässt sich nach Angaben der Forscher auf 3 Nanometer genau definieren. Mit anderen Verfahren, wie etwa der Elektronenstrahllithografie, sei das nur schwer möglich und zudem zeitaufwändig. DNA-geformte Nanopartikel ließen sich hingegen in großen Mengen gleichzeitig züchten. Ihre Größe ist bislang noch auf unter 25 Nanometer beschränkt. Es zeichnen sich aber bereits Verbesserungen im DNA-Origami ab, mit denen auch größere Formen machbar würden.

Auch dreieckige Formen funktionieren
© Harvard's Wyss Institute
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernAuch dreieckige Formen funktionieren

Je nach Anwendungszweck lassen sich nach der Produktion die Erbgutmoleküle entweder wieder ablösen oder aber mit Zusatzfunktionen versehen: Die Erbgutstränge können Forscher zum Beispiel dazu nutzen, um Spezialmoleküle anzuheften oder auch um ein Partikel mit seinen Nachbarn zu verknüpfen. Es entstehen dadurch Teilchen, die die Vorteile von DNA mit denen eines metallenen Nanopartikels kombinieren.

Maßgeschneiderte Nanopartikel aus Metall haben eine Vielzahl denkbarer Anwendungsgebiete, unter anderem in der Sensortechnik. Auch die plasmonischen Eigenschaften der Teilchen lassen sich durch die Formgebung manipulieren – diese Eigenschaften beeinflussen unter anderem das von den Teilchen zurückgeworfene Licht. Darüber hinaus seien Anwendungen in der Nanoelektronik denkbar, schreiben die Wissenschaftler; dabei würde man sich die elektrische Leitfähigkeit der Metallpartikel zu Nutze machen.