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Nanotechnologie: DNA-Stücke als Thermometer

Mit Hilfe maßgeschneiderter DNA-Sequenzen haben Wissenschaftler nur wenige Nanometer große Thermometer gebaut. Sie sollen helfen, die Temperatur in winzigen Pröbchen zu messen.
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Wissenschaftler wollen DNA-Moleküle als Thermometer einsetzen, um die Temperatur in sehr geringen Flüssigkeitsmengen zu messen. Das Team um Alexis Vallée-Bélisle von der Universität Montreal nutzt dabei aus, dass die Form, in der ein gegebenes DNA-Molekül vorliegt, von der Umgebungstemperatur abhängt.

Sie entwarfen dazu DNA-Ketten, die je nach Abfolge ihrer "Buchstaben" auf bestimmte Temperaturbereiche reagieren. Bei niedrigen Temperaturen bilden sie beispielsweise eine Art Ring; steigt die Temperatur jedoch über einen gewissen Wert, öffnet sich der Ring. An die Moleküle heften die Wissenschaftler fluoreszierende Moleküle, die durch die Strukturveränderung an- oder ausgeschaltet werden. Über ein Mikroskop kann so die Leuchtkraft – und dadurch indirekt die Temperatur – bestimmt werden.

Laut Vallée-Bélisle und Kollegen ist es möglich, mit den Temperaturmessmolekülen bereits sehr geringe Schwankungen von 0,05 Grad Celsius anzuzeigen. Aber auch ein Messbereich von 50 Grad Celsius lässt sich mit einem Mix maßgeschneiderter DNA-Ketten abdecken, teils noch unter weiterer Zuhilfenahme von DNA-Stabilisatoren. Die Temperaturmesser aus der Erbsubstanz sind nach Auskunft der Forscher ungefähr fünf Nanometer groß.

Die Temperatur, ab der sich eine DNA-Kette auffaltet, lässt sich über die Basenabfolge einstellen. Die Nukleotide A, C, G und T schließen sich zu Paaren zusammen, wobei sich A und T schwach, C und G hingegen stark verbinden. Mit der richtigen Mischung beider Paare haften die komplementären Stränge fester oder weniger fest zusammen – und brechen bei entsprechend höheren oder tieferen Temperaturen auf.

Das Team um Vallée-Bélisle hofft, mit den molekularen Temperatursonden biologische und nanotechnologische Fragestellungen erforschen zu können. Der menschliche Körper regele beispielsweise seine Durchschnittstemperatur auf ungefähr 37 Grad Celsius, es sei aber noch unbekannt und unerforscht, ob es auf der Mikro- und Nanoebene zu ausgeprägten Temperaturschwankungen komme. Mit Hilfe der DNA-Moleküle lasse sich auch beobachten, ob biologische "Maschinen" wie etwa Ribosomen sich und die zelluläre Umgebung aufheizen.

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