Ein Selbst-Baukasten aus DNA

News: Ein Selbst-Baukasten aus DNA

Mit Bausteinen, die nur wenige Nanometer groß sind, bastelt es sich nicht leicht. Was wäre es schön, wenn sich die Teilchen von selbst aneinanderfügen würden. Aber das geht ja leider nicht. - Geht doch! Raffiniert konstruierte DNA-Abschnitte haben sich im Laborversuch selbständig zu exakt dem gewünschten Muster angeordnet. Je nachdem, welche Struktur gewünscht wird, ließen sich theoretisch die geeigneten DNA-Bausteine synthetisieren und zusammenmischen. Auf diese könnten dann elektronische Geräte von Molekülgröße aufgesetzt werden.

Ein Team von Wissenschaftlern von der New York University unter der Leitung des Chemikers Nadrian C. Seeman hat in Zusammenarbeit mit dem Computerexperten Erik Winfree vom California Institute of Technology eine einfache und präzise Methode entwickelt, mit der gelöste Moleküle sich zu zweidimensionalen Kristallen mit festgelegten topographischen Eigenschaften zusammenlagern (Nature vom 6. August 1998). Das Verfahren könnte eine mögliche Lösung des Problems darstellen, wie die molekülgroßen Bausteine zukünftiger elektronischer Schaltungen zu hochgeordneten Strukturen zusammengefaßt werden können.

Die Forscher verwandten DNA aufgrund einer nützlichen Eigenschaft als Gerüstsubstanz: Jeweils zwei der DNA-Bausteine, die als Nukleotide bezeichnet werden, passen zueinander und bilden Bindungen aus. So gehören die Nukleotide A und T sowie C und G zusammen. Vier speziell entworfene Einzelstränge DNA ließen Seeman und seine Kollegen zu sogenannten DNA-double-crossover-Molekülen (DX) reagieren. Die möglichen Nukleotidpaarungen sorgten für den korrekten Aufbau der DX-Einheiten. An deren Enden standen ungepaarte Nukleotide über, sticky ends, die gezielt nach komplementären DNA-Abschnitten suchen, um diese zu binden.

Als die Wissenschaftler zwei verschiedene DX-Einheiten zusammengaben, deren sticky ends einander erkannten, ordneten sich die DNA-Moleküle von selbst in einem zweidimensionalen Kristallgitter mit abwechselnden Einheiten an. Dadurch, daß eines der DX-Moleküle eine interne DNA-Schleife trug, die aus der Gitterebene herausragte, konnten die Forscher mit einem atomaren Kraftmikroskop die Regelmäßigkeit nachweisen. Genau 32 Nanometer Abstand lag zwischen den einzelnen Schleifen. In einem zweiten Experiment mit vier verschiedenen DX-Einheiten, von denen nur eines die Markierung trug, war der Abstand doppelt so groß.

Das Verfahren ist sehr flexibel, sagt Seeman. "Durch Veränderung der sticky ends läßt sich nahezu jedes gewünschte Muster erstellen." An die Oberfläche des Kristallgitters könnten Moleküle gebunden werden, aus denen sich ein Nanocomputer zusammensetzt. Die Aufbauanleitung dafür würde sich im Idealfall auf folgende Anweisung beschränken: "Geben Sie alle Zutaten in ein Glas Wasser, und rühren Sie kräftig um. Der Computer ist innerhalb einer Stunde fertig."

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