Autonome Nanomaschinen: Nano-Straßenbahn
Eine der interessantesten Herausforderungen im Bereich der Nanotechnologie ist der präzise Transport von Nano-Objekten von einer Stelle einer Nanostruktur über eine definierte Route zu einer anderen. Einen Anfang haben Forscher nun gemacht: Drei "Haltestellen" hat ihre nanoskopische "Straßenbahn", die aus der Erbsubstanz DNA konstruiert wurde.
DNA hat sich als Nano-Baumaterial bereits vielfach bewährt: Auf Grund der spezifischen Basen-Paarung zueinander komplementärer DNA-Bereiche ist dieser Baustoff in der Lage, sich per Selbstorganisation zu definierten Strukturen anzuordnen, die gezielt über die Reihenfolge der Nukleotid-Bausteine vorbestimmt werden können.
Auch das Team um Hao Yan und John Reif von der Duke-Universität sowie Andrew Turberfield von der Universität Oxford griff auf DNA zurück: Das "Schienensystem" für ihre Nano-Straßenbahn bestand aus einem doppelsträngigen DNA-Rückgrat. Über kurze einzelsträngige "Scharniere" knüpften die Wissenschaftler drei doppelsträngige DNA-Stücke, die sich wie starre Stäbe verhalten, als "Haltestellen" an das Rückgrat.
Die Straßenbahn war zunächst an der ersten Haltestelle befestigt: Das winzige Fahrzeug bestand aus zweimal drei Nukleotiden, die jeweils an den Enden der beiden Stränge der Haltestellen-DNA hingen. Das Entscheidende: Die sechs Straßenbahn-Nukleotide lagen einander nicht genau gegenüber, sondern waren so versetzt, dass an einem der Stränge drei Nukleotide überstehen. Diese wirkten wie eine Art Klebepunkt auf ihre Gegenstücke. Und bei der zweiten Haltestelle standen ebenfalls drei Nucleotide über, die genau dazu passen. Klappten jetzt beide Haltestellen an ihren Scharnieren so um, dass sie zueinander zeigten, dann hafteten die überstehenden Enden aneinander. Das Enzym Ligase verknüpfte sie zu einem durchgehenden Doppelstrang.
Nun kam ein weiteres Enzym, eine Nuklease, ins Spiel, das DNA-Doppelstränge wie eine Schere zerschneidet. Diese molekulare "Schere" zeigt sich aber als wählerisch und schneidet nur, wenn sie eine ganz bestimmte Nukleotid-Reihenfolge vorfindet. Sie zerschnippelte daher das Ensemble aus erster Haltestelle, Straßenbahn und zweiter Haltestelle so, dass die erste Haltestelle abgekoppelt wurde und die Straßenbahn nur noch an der zweiten Haltestelle hing. Nach dem selben Prinzip konnte dann die Straßenbahn-DNA an die dritte Haltestelle weitergereicht werden. Das ganze System arbeitete völlig autonom, wenn die Forscher ATP (Adenosintriphosphat) als "Treibstoff" zugaben.
Falls es gelingt, die passenden Nukleasen zu finden, wären nach Ansicht der Forscher auch ausgedehntere "Schienennetze" mit vielen "Haltestellen" und längeren "Straßenbahnen" denkbar. Daran könnten beispielsweise Nano-Objekte angeknüpft werden – eine wichtige Voraussetzung für die Konstruktion "intelligenter" Nanoroboter.
Auch das Team um Hao Yan und John Reif von der Duke-Universität sowie Andrew Turberfield von der Universität Oxford griff auf DNA zurück: Das "Schienensystem" für ihre Nano-Straßenbahn bestand aus einem doppelsträngigen DNA-Rückgrat. Über kurze einzelsträngige "Scharniere" knüpften die Wissenschaftler drei doppelsträngige DNA-Stücke, die sich wie starre Stäbe verhalten, als "Haltestellen" an das Rückgrat.
Die Straßenbahn war zunächst an der ersten Haltestelle befestigt: Das winzige Fahrzeug bestand aus zweimal drei Nukleotiden, die jeweils an den Enden der beiden Stränge der Haltestellen-DNA hingen. Das Entscheidende: Die sechs Straßenbahn-Nukleotide lagen einander nicht genau gegenüber, sondern waren so versetzt, dass an einem der Stränge drei Nukleotide überstehen. Diese wirkten wie eine Art Klebepunkt auf ihre Gegenstücke. Und bei der zweiten Haltestelle standen ebenfalls drei Nucleotide über, die genau dazu passen. Klappten jetzt beide Haltestellen an ihren Scharnieren so um, dass sie zueinander zeigten, dann hafteten die überstehenden Enden aneinander. Das Enzym Ligase verknüpfte sie zu einem durchgehenden Doppelstrang.
Nun kam ein weiteres Enzym, eine Nuklease, ins Spiel, das DNA-Doppelstränge wie eine Schere zerschneidet. Diese molekulare "Schere" zeigt sich aber als wählerisch und schneidet nur, wenn sie eine ganz bestimmte Nukleotid-Reihenfolge vorfindet. Sie zerschnippelte daher das Ensemble aus erster Haltestelle, Straßenbahn und zweiter Haltestelle so, dass die erste Haltestelle abgekoppelt wurde und die Straßenbahn nur noch an der zweiten Haltestelle hing. Nach dem selben Prinzip konnte dann die Straßenbahn-DNA an die dritte Haltestelle weitergereicht werden. Das ganze System arbeitete völlig autonom, wenn die Forscher ATP (Adenosintriphosphat) als "Treibstoff" zugaben.
Falls es gelingt, die passenden Nukleasen zu finden, wären nach Ansicht der Forscher auch ausgedehntere "Schienennetze" mit vielen "Haltestellen" und längeren "Straßenbahnen" denkbar. Daran könnten beispielsweise Nano-Objekte angeknüpft werden – eine wichtige Voraussetzung für die Konstruktion "intelligenter" Nanoroboter.
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