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Materialforschung: Nanostrukturen replizieren sich selbst

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Nach dem Vorbild der Desoxyribonukleinsäure in lebenden Zellen erzeugt eine künstliche DNA-Struktur exakte Kopien von sich selbst. Auch wenn der Prozess noch nicht eigenständig abläuft, hoffen die Forscher um Nadrian Seeman von der New York University in den USA damit in ferner Zukunft einmal neuartige funktionelle Materialien und Strukturen herstellen zu können, die sich selbst vervielfältigen.

In Zellen trennen Enzyme die schraubenförmige Doppelhelix der DNA wie einen Reißverschluss auf und legen auf diese Weise eine Vorlage für den Kopiervorgang frei: Passende DNA-Bausteine lagern sich an die nun offenen Einzelstränge an und verknüpfen sich zu einem neuen, komplementären Strang. Dabei können die vier verschiedenen Basen nicht beliebig an die Gegenstelle der Vorlage andocken: Adenin bindet ausschließlich an Thymin, Cytosin nur an Guanin. Der replizierte DNA-Strang ist durch die Basensequenz der Vorlage eindeutig festgelegt.

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Replikation von DNA-Strukturen | In ihrem Experiment erzeugten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Molekültypen (rote und grüne Bausteine) sowie deren Gegenstücke und bastelten daraus eine Sequenz aus insgesamt sieben Bausteinen. Damit sich komplementäre Moleküle anlagern können, legten Seeman und sein Team die Vorlage in eine chemische Lösung. Den neu gebildeten Strang (orange und blau) trennten sie anschließend durch Erwärmen der Lösung auf rund 40 Grad Celsius ab. Daraufhin lagerten sich erneut komplementäre Bausteine am Tochterstrang an und erzeugten so eine weitere Generation, die sowohl exakt dieselbe Bausteinfolge als auch Form wie die ursprüngliche Vorlage aufweist.
Dieses Konzept übertrugen Seeman und seine Kollegen nun auf nanometergroße Strukturen, die ebenfalls aus Desoxyribonukleinsäure aufgebaut sind. Das Pendant zu den Basen bilden dabei allerdings nicht wieder einzelne Basen oder Nukleotide, sondern größere Komplexe so genannter gebogener Tripelhelixmoleküle, die aus mehreren miteinander verbundenen DNA-Strängen bestehen. Die komplexe Struktur mit helikalen und geraden Abschnitten hat eine charakteristische äußere Form, die sie von außen kennzeichnet, vor allem aber eine Reihe von spezifischen Andockstellen: Seitlich nach außen ragen zum Beispiel vier DNA-Einzelstränge mit typischer Sequenz. An diese Sequenzen des Triplehelixmoleküls A kann ein dazu passendes Gegenstück, die Gegensequenz eines A' binden – analog zur spezifischen Wasserstoffbrückenbindung zwischen Basen im natürlichen Vorbild der DNA. Die einzelnen Moleküle können sich zudem mit drei weitere, längeren Einzelstrangsequenzen an den Enden verketten.

Die begrenzte Kombination der vier Basen, die in der DNA im Zellkern nur die spezifische Paarungen C-A und G-C zulässt, wird im künstlichen System also deutlich erweitert: weil jede der vier typischen Andocksequenzen aus sieben Nukleotiden besteht, sind prinzipiell 428 Kombinationen von spezifisch verbundenen Triplehelices denkbar, schildern die Autoren. Es ließen sich theoretisch Billiarden von verschiedenen Bausteinen kreieren. In einem Experiment zur Replikation ihrer Bausteine erzeugten die Wissenschaftler zunächst zwei unterschiedliche Tripelhelixmolekültypen sowie deren Gegenstücke und bastelten daraus eine Sequenz aus insgesamt sieben Bausteinen. Dann lagerten sie jeweils komplementäre Moleküle an und erzwangen durch wechselnde Temperaturbedingungen in einer chemische Lösung schließlich Replikationszyklen: Neu gebildete Stränge trennten sich bei 40 Grad Celsius, nach dem Abkühlen lagerten sich erneut komplementäre Bausteine am Tochterstrang an und erzeugten so eine weitere Generation, die sowohl exakt dieselbe Bausteinfolge als auch Form wie die ursprüngliche Vorlage aufweist.

Obwohl ihre Methode derzeit mehrere chemische und thermische Arbeitsschritte erfordert, sei sie dennoch ein erster Schritt auf dem Weg zur Selbstreplikation von beliebigen DNA-Strukturen, so die Wissenschaftler. "Die nächste Herausforderung wird sein, die Selbstreplikation nicht nur über ein paar wenige Generationen zu vollziehen, sondern lange genug, um ein exponentielles Wachstum zu erreichen", sagt Koautor Paul Chaikin von der New York University. In lebenden Zellen tritt der Prozess eigenständig auf, wobei die Anzahl der Kopien exponentiell mit der Zeit ansteigt. (mp)
41. KW 2011

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 41. KW 2011

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