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DNA-Origami: Nanomaschinen bekommen Mechanik-Bausatz spendiert

Aus DNA lassen sich winzige Nanostrukturen bereits extrem präzise aufbauen. Nun eröffnet ein viel versprechendes Technik-Upgrade gänzlich neue Möglichkeiten.
DNA-Nanoroboter in künstlerischer DarstellungLaden...

Nanomaschinen lassen sich künftig womöglich leichter herstellen, dank einer viel versprechenden neuen Baumethode, die Wissenschaftler der TU München nun vorgestellt haben: Sie zeigen, wie sich vorfabrizierte Nanostrukturen aus DNA an festgelegten Stellen "aneinanderklicken" lassen. Das Besondere: Die Verbindung lässt sich auch wieder lösen, so dass die Nanoobjekte auf ein äußeres Signal hin ihre Form ändern können.

Beim DNA-Origami zweckentfremden Nanoforscher die DNA als Baumaterial für Objekte im Nanometermaßstab. Sie machen sich dabei zu Nutze, dass sich jeder DNA-Strang immer nur mit einem Strang entgegengesetzter Sequenz verbindet. Wählt man alle Bauelemente geschickt aus, setzt sich das Puzzle im Reagenzglas quasi von allein zusammen.

Demonstrationsroboter aus DNALaden...
Demonstrationsroboter aus DNA | Zumindest ein Objekt in der Form eines Roboters von wenigen zehntel Mikrometern Größe können die Wissenschaftler bereits herstellen – das belegen die Elektronenmikroskopaufnahmen am unteren Rand. Die Grafik veranschaulicht den Aufbau: Rote und blaue Bereiche weisen jeweils komplementäre Formen auf und "klicken" ineinander. So stellen die Forscher zunächst aus drei Grundbausteinen die Form des "Roboters" her. Seine beweglichen Arme breitet er bei Zugabe von positiv geladenen Ionen aus. Sinkt deren Konzentration, werden die Arme automatisch wieder an der Seite fixiert.

Nun hat das Team um Hendrik Dietz ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, mehrere dieser per DNA-Origami erzeugten Elemente zu kombinieren. Dabei werden die Stränge nur vergleichsweise locker aneinandergekoppelt: Während beim grundlegenden Bauvorgang immer Einzelstränge zu einer Doppelhelix verbunden werden – diese Verknüpfung lässt sich nur schwer wieder lösen –, arrangieren hier die Forscher Teile der Doppelhelix zu Aus- und Einbuchtungen, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip in analog geformte Ausbuchtungen am zu verbindenden Element passen.

Zusammenfügen nach "Schlüssel-Schloss-Prinzip"

Die Wissenschaftler haben sich dabei vom RNA-Enzym RNase P inspirieren lassen, das tRNA-Moleküle ebenfalls an ihrer Form erkennt. Nähern sich beide Elemente aneinander an, "klicken" ihre Verbindungsstellen ineinander. Das Konglomerat wird durch so genannte Stapelwechselwirkungen, die an der Bindungsstelle auftreten, zusammengehalten.

Dietz und Kollegen beobachteten, dass dieses Prinzip, auf DNA-Origami übertragen, die Designmöglichkeiten weiter vergrößert. Zum einen demonstrierten sie, dass sich beispielsweise Hunderte von identischen Elementen zu mikrometergroßen Strukturen zusammenfügen lassen. Zum anderen ermöglicht die neue Art der Verknüpfung auch neue dynamische Funktionen: Die Klick-Verknüpfung lässt sich offenbar beliebig oft und innerhalb von Sekunden öffnen und schließen, gesteuert durch Temperaturveränderungen oder Zugabe von Ionen. Auch können die Kontaktstellen durch geschickt platzierte DNA-Hilfsstränge so verbogen werden, dass sie erst dann an ihr Pendant ankoppeln, wenn der Hilfsstrang entfernt wird.

Noch ist die inzwischen schon seit einigen Jahren betriebene Untersuchung des DNA-Origami reine Grundlagenforschung. Die Hoffnung ist es, demnächst die winzig kleinen Objekte mit einer nützlichen Funktion zu versehen. Beispielsweise könnten sie medizinische Wirkstoffe einschließen und diese im Körper auf Kommando freisetzen. Aus den mit hoher Genauigkeit herstellbaren Formen lassen sich theoretisch aber auch Sensoren entwickeln. Oder sie dienen als Baugerüste oder Gussformen, mit denen sich anderen Materialien eine gewünschte Gestalt aufprägen lässt. Eines Tages könnten solche künstlichen Nanomaschinen womöglich sogar einen ähnlichen Grad an Raffinesse und Komplexität aufweisen wie die natürlichen Nanomaschinen in unseren Zellen, meint der DNA-Forscher William Shih von der Harvard University in einem begleitenden Kommentar.

12/2015

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 12/2015

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