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Nanotechnik: Tauziehen mit Erbgut

In dünne Nanoröhrchen gepresste DNA lässt sich mit Hilfe geringer punktueller Temperaturdifferenzen bedeutend strecken. Dies könnte künftige Untersuchungen am Erbmaterial vereinfachen.
DNA-Strang

Der Erbgutspeicher in jeder unserer Zellen, die DNA, ist ein riesiges Biomolekül: Als ungemein lange, in Form einer Doppelhelix angeordnete Molekülkette muss es sich schon aus Platzgründen zu Bündeln zusammenknüllen. Schließlich wäre allein das Erbgut einer einzelnen menschlichen Zelle, zöge man es auseinander, einen Meter lang. Um es in den winzigen Dimensionen eines Zellkerns zu verstauen, wird die DNA also in einem ausgeklügelten Origami-Verfahren um Verpackungsproteine, die Histone, geschlungen und nur bei Bedarf wieder aufgedröselt.

Ohne Histone neigen isolierte DNA-Stränge zu Verschlingungen – ähnlich wie eine lose Angelschnur. Diese Eigenschaft macht die Untersuchung längerer DNA-Stücke schwierig, weshalb Wissenschaftler eine Reihe verschiedener Verfahren ersonnen haben, um DNA etwa mit Hilfe von Nanoröhrchen und unterschiedlichen Konzentrationen verschiedener Salze unverknäult und gestreckt zu halten. Ein interessanter neuer Ansatz könnte das bald vielleicht noch besser erledigen, hoffen Forscher aus Dänemark.

Versuchsaufbau | Aufbau des Nanochips: Der Nahinfrarot-Laser erwärmt einen winzigen Fleck (rot) auf der Absorberschicht, was die darüberbefindliche DNA streckt.

Ihre Entwicklung basiert auf einer knapp einen Millimeter dünnen Glasschicht als Träger, in der mittig zwei je nur etwa einen Mikrometer messende Substrate eingearbeitet sind. Das obere Substrat aus einem speziellen Acrylat enthält zudem dünne Nanoröhrchen, um die in Wasser gelöste DNA aufzunehmen. Darunter liegt eine Infrarot-Absorberschicht, die die Forscher punktgenau mit einem Infrarotlaser aufwärmen können.

In den engen Nanoröhrchen werden die DNA-Stücke schon etwas vorgestreckt – was nötig ist, weil die lasergesteuerte Erwärmung sonst keine Angriffspunkte finden würde. Wie Luft um einen heißen Draht nimmt die Bewegungsenergie der Gasteilchen um die erwärmten Stellen herum zu, wodurch sie sich auf einen größeren Raum verteilen. Die kälteren Knäuel am Ende des DNA-Strangs ziehen nun gleichzeitig das Mittelstück wie bei einem Tauziehen an beiden Seiten deutlich auseinander. Das gelang bei den DNA-Stücken dank geschickter Anpassung der Versuchsparameter bereits bei erstaunlich geringen Temperaturdifferenzen von nur acht Grad Celsius.

DNA-Tauziehen | Dank eines Temperaturunterschieds zieht sich die DNA deutlich auseinander.

"Wir konnten ein Stück DNA bis auf 80 Prozent der maximalen Länge auseinanderziehen", erklärt Henrik Flyvbjerg von der Technischen Universität Dänemark in Lyngby. Das ist nicht nur besser als bisherige Verfahren – den Forschern gelang es auch, die Kräfte auf diesem Strang zu messen und mit einem einfachen theoretischen Modell zu erklären. Die Zugkraft beim molekularen Tauziehen entspricht dem Gewicht eines Salzkorns mit einer Kantenlänge von zwei Mikrometern.

Das neue Verfahren besitzt gegenüber einigen anderen den Vorzug, von hohen Salzkonzentrationen unabhängig zu sein, die nicht biologischen Umweltbedingungen entsprechen. "Man könnte es auch als eine Art Vergrößerungsglas für DNA-Untersuchungen einsetzen", so Flyvbjerg. Noch sind die theoretischen Modelle aber nicht abschließend bestätigt und weitere Untersuchungen nötig.

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