Das Gebiet der DNA-Nanotechnologie schreite "mit Lichtgeschwindigkeit" voran, schreiben Forscher des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University. Und in der Tat überschlagen sich gerade die Entwicklungen beim Bau nanokleiner Strukturen aus DNA, vorangetrieben von den Harvard-Forschern selbst. Ihnen ist es nun gelungen, einen Standardkubus aus Erbgutsträngen zu erzeugen, dessen Form nahezu beliebig angepasst werden kann.

Ihr Verfahren vergleichen die Forscher um Peng Yin mit Lego. Denn auch hier entstehen Formen durch die kluge Kombination identischer Bausteine. In ihrem Fall bestehen die Bausteine allerdings aus kurzen DNA-Einzelsträngen, die sich – und das ist der Reiz des DNA-Legos – ausschließlich mit bestimmten anderen Strängen verknüpfen können. Aus diesem Grund baut sich die Struktur von ganz allein auf: Es ist, als würde man alle Legosteinchen in eine Kiste werfen, schütteln und dann ein fertiges Häuschen entnehmen.

Formenvielfalt
© Yonggang Ke, Wyss Institute, Harvard University
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Durch Weglassen einzelner Bausteine eines 10x10x10-Elemente-Kubus lassen sich zahllose Formen erzeugen, wobei jedes Element aus einem kurzen DNA-Strang besteht. Allerdings haben die Wissenschaftler beim Design des Produkts nicht völlig freie Hand: Einige denkbare Formen setzen sich nur schwer im Labor zusammen oder zerbrechen wieder.

Alle Grundbausteinstränge weisen von sich aus die Form eines V auf. Jeder ihrer Arme besteht aus zweimal acht Basen, deren Abfolge nur ein einziges Mal im ganzen Baukasten auftaucht und ihr passendes Gegenstück in denjenigen zwei Vs findet, die im Endprodukt direkt benachbart sein sollen. Ihr jeweils anderer Arm bindet seinerseits an zwei weitere Bausteine – und so fort, bis eine kompakte Struktur entsteht.

Yin und Kollegen haben nun 1000 kurze Einzelstränge ausgewählt, die sich zu einem soliden Kubus von zehn mal zehn mal zehn Strängen aneinanderlagern. Dessen Seitenlänge beträgt gerade einmal 25 Nanometer. Der entscheidende Kniff: Ließen die Forscher bestimmte Stränge weg, entstanden an den entsprechenden Stellen Leerräume. Dadurch sind vielgestaltige Strukturen mit winzigen Löchern, Kanälen oder Oberflächenmerkmalen möglich. Yin und Kollegen haben zu Demonstrationszwecken bereits 102 verschiedene Formen erzeugt.

Erfolgskontrolle mit dem TEM-Mikroskop
© Yonggang Ke, Wyss Institute, Harvard University
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Die Elektronenmikroskopaufnahmen zeigen in der Draufsicht die oben abgebildeten, am Computer modellierten Formen.

Für konkrete Anwendungen würden sich Wissenschaftler maßgeschneiderte Formen selbst herstellen, an denen sich dann beispielsweise Fremdmoleküle punktgenau fixieren lassen oder die als Gerüst für den Aufbau sekundärer Strukturen dienen. Da die Kuben nur aus DNA bestehen, vertragen sie sich vergleichsweise gut mit der Körperchemie und könnten daher ihren Platz in medizinischen oder biologischen Untersuchungen finden. Die Natur stellt den Anwendern außerdem einen umfangreichen Satz enzymatischer Werkzeuge zur Verfügung, mit denen sich unter anderem Erbgutstränge schneiden oder vervielfältigen lassen.

Bei ähnlichen Verfahren, die Forscherteams in den vergangenen Jahren entwickelten – namentlich beim DNA-Origami –, musste zumeist ein langer Strang durch kurze Verbindungsstücke in Form gehalten werden (siehe zum Beispiel dieses Video). Der Vorteil von Yins DNA-Lego ist demgegenüber die Tatsache, dass jedes Mal der gleiche Satz an DNA-Bausteinen verwendet werden kann.

Mit Hilfe einer 3-D-Software wird die gewünschte Form am Bildschirm designt. Der Laborcomputer errechnet daraufhin, welche Einzelstränge in das Endprodukt eingebaut werden, und mischt diese im Reagenzglas zusammen. Über bis zu 72 Stunden wird das Gemisch dann langsam abgekühlt, wobei die gewünschte Form in vielfacher Ausführung entsteht. Leider ist der Selbstorganisationsprozess immer noch sehr fehleranfällig: Weit über die Hälfte der zur Verfügung gestellten Stränge sind Ausschuss.