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Nanomaschinen: Winzige Bauteile aus exakt gebogener DNA

Nano-Zahnrad
Aus kurzen DNA-Molekülen lassen sich jetzt auch Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen formen. Das berichten Wissenschaftler der Technischen Universität München und der Harvard University, die die dafür nötigen Werkzeuge und Verfahren entwickelt haben. Mit ihrer Methode des "DNA-Origami" konnten sie Bausteine aus der Erbsubstanz beispielsweise zu einer kugelförmigen Gerüstkonstruktion mit nur 50 Nanometern Durchmesser falten. Bislang war es Forschern nur gelungen, gerade Balken und ebene Flächen zu konstruieren.

Sammelsurium von Bauteilen | Mit ihrer Technik, den Krümmungsradius der einzelnen DNA-Bündel einzustellen, konnten die Forscher eine ganz Reihe unterschiedlicher Formen konstruieren. Hier dargestellt sind 3-D-Modelle der einzelnen Designs. Die zugehörigen Originale sind nur unter dem Elektronenmikroskop erkennbar.
"Unser Ziel war es herauszufinden, ob wir DNA so programmieren können, dass sie sich selbst in Formen mit vorgegebenen Krümmungen und Windungen anordnet", erklärt Hendrik Dietz von der Technischen Universität München. "Wir können jetzt viele verschiedene dreidimensionale Bauteile im Nanobereich herstellen. Etwa Zahnräder oder gebogene Rohre und Kapseln." Diese Bauteile hoffen die Forscher zu größeren, komplexeren Funktionseinheiten kombinieren zu können.

DNA als Medium für solche nur wenige Nanometer große Konstruktionen hat nach Aussage der Forscher zwei Vorteile: Durch eine Änderung der Basensequenz lässt sich das robuste und zugleich flexible Molekül nach Wunsch programmieren. Zudem ist sie auf Grund jahrzehntelanger Arbeit von Genetikern sehr gut erforscht.

Das elementare Werkzeug, das Dietz und seine Harvard-Kollegen Shawn Douglas und William Shih anwenden, ist die programmierbare Selbstorganisation. Dazu werden mehrere DNA-Stränge zu Bündeln verknüpft, die von quer verlaufenden Doppelhelix-Abschnitten zusammengehalten werden – ein Bauprinzip, das die Forschergruppe vor einigen Monaten vorstellte. Jetzt manipulierten sie zusätzlich die Basensequenz so, dass sich die aneinander gelagerten Bündel beim Verknüpfen verzogen. Die Wissenschaftler konnten präzise kontrollieren, ob die Windung rechts- oder linksherum erfolgen soll und welchen Radius ein Bogen erhält. Auch extrem enge Krümmungsradien von sechs Nanometern seien so machbar.

Vorher – Nachher | Erst vor kurzem stellten die Wissenschaftler das Prinzip ihrer Nano-Bastelei vor. Objekte, wie der Käfig, mussten sie zunächst aus starren Strängen zusammenfügen (links), mittlerweile können sie den DNA-Bündeln eine gewünschte Krümmung vorgeben (rechts).
Um ein bestimmtes Design leichter in die dafür nötige DNA-Sequenz übersetzen zu können, entwickelten Dietz und Kollegen eine Grafiksoftware, die zu einer vorgegebenen Form geeignete Kandidaten für DNA-Bausteine entwirft. Dreidimensionale Objekte werden schließlich durch die Feinabstimmung von Anzahl, Anordnung und Länge der Stränge erzeugt. Für ihre aktuelle Studie konnten sie auf diese Weise eine große Auswahl an Gebilden herstellen.

Auch für viele Maschinen im Makrokosmos benötige man seltsam geformte Teile, meint Dietz. Im Nanobereich sei das nicht anders. "Wir erhoffen uns viel von miniaturisierten Maschinen, die zuverlässig in unseren Körperzellen arbeiten." Dazu seien Biomoleküle wie DNA als Werkstoff besonders interessant.

In ihrer Komplexität können die Bauteile aus dem Erbgut-Molekül bislang allerdings weder mit ihren mechanisch-technischen Vorbildern, noch mit denen aus dem Werkzeugkasten einer Zelle mithalten. (jd)

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