Nanokisten aus DNS-Strängen, hübsch arrangiert.
27. Mai 2009 Die Erbsubstanz, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), gilt für viele Nanowissenschaftler als ideales Baumaterial, lassen sich mit ihr doch äußerst komplexe Strukturen konstruieren. Dank molekularer Selbsterkennung verbinden sich zwei Einzelstränge von selbst zu einem stabilen Doppelstrang in Gestalt einer Doppelhelix, vorausgesetzt, die Abfolge der Basen ist komplementär zueinander.
Enzyme können einen Strang vervielfältigen, zerlegen und die Abschnitte nach Wunsch wieder zusammensetzen. Auf diese Weise sind bereits in vielen Labors nur wenige Nanometer große Polyeder und Ringe hergestellt worden. Jetzt haben zwei Forschergruppen die Möglichkeiten des DNS-Bauwesens erweitert. Während eine dänisch-deutsche Forschergruppe winzige Kisten mit Deckeln hergestellt hat, haben amerikanische Wissenschaftler ein Baukastensystem entwickelt, mit dem sich die unterschiedlichsten Gebilde fertigen lassen.
Von der Helix zum Würfel
Gerade mal Platz für ein Ribosom oder ein Poliovirus bieten die 42 mal 36 mal 36 Nanometer messenden Kisten, die Jørgen Kjems von der Universität Aarhus und seine Kollegen hergestellt haben. Als Ausgangsmaterial verwendeten die Forscher sechs längere DNS-Abschnitte, die man dem Genom des Virus M13 entnommen und anschließend vervielfältigt hatte. Zunächst galt es, die sechs Seitenteile des Würfels zu bauen.
Kjems und seine Mitarbeiter brachten dazu die sechs Abschnitte des Virusgenoms mit zahlreichen kürzeren Einzelsträngen zusammen. Letztere verflochten die Doppelstränge so miteinander, dass rechteckige Flächen mit Kantenlängen von rund 30 Nanometern entstanden. In einem zweiten Schritt fügten die Forscher kurze Nukleotidketten hinzu, die als Klammern wirkten und die Kanten der zugehörigen Seitenteile verknüpften. Auf diese Weise falteten sich innerhalb von zwei Stunden Milliarden winziger Würfel von selbst. Die einzelnen Schritte des Verfahrens, das sich an die japanische Papierfalttechnik Origami anlehnt, wurden von einem Computer gesteuert.
Deckel auf, Deckel zu
Die Forscher versahen einige Kisten mit Deckeln, die sich gezielt öffnen und schließen ließen. Dazu hefteten sie an ein Seitenteil eines Würfels zwei Doppelstränge mit jeweils einem überstehenden Ende an. Als man zwei Einzelstränge, die zu den „klebrigen“ Enden passten, in die Lösung gab, spalteten sich die Doppelstränge, und der Deckel öffnete sich. Zwei fluoreszierende Markermoleküle, die man an die Deckel geheftet hatte, verrieten den Forschern, ob eine Kiste geschlossen oder geöffnet war.
Die Farbstoffmoleküle leuchteten nur dann, wenn sie dicht beieinander waren, was im geschlossenen Zustand der Fall war. Sobald sich der Deckel öffnete, erlosch das Leuchten („Nature“, Bd. 459, S. 73). Nach Ansicht der Forscher, zu denen auch Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen zählen, eigenen sich die Nanokisten als Wirkstofftransporter. Die eingelagerten Substanzen würden im Körper freigesetzt, sobald entsprechende Biomoleküle anwesend sind.
Ein Set von Bauteilen
Den Mechanismus der Selbsterkennung und Selbstorganisation haben auch die Forscher von der Harvard University in Boston (Massachusetts) für ihren Ansatz genutzt. Doch anders als den Forschern um Kjems ging es William Shih und seinen Kollegen vor allem darum, ein universelles Verfahren zu schaffen, mit dem sich aus DNS-Molekülen auf möglichst einfache Art beliebige dreidimensionale Strukturen erzeugen lassen („Nature“, Bd. 459, S. 414).
Ausgangspunkt war eine Lösung, in der gleich lange Doppelstränge mit „klebrigen“ Enden schwammen. Daran dockten benachbarte DNS-Stränge mit komplementären Enden an, so dass sich stabile Stäbchen bildeten, die an ihrer Längsseite miteinander verbunden waren. Durch Erhitzen und schnelles Abkühlen falteten sich die mattenähnlichen Gebilde selbständig zu kompakten Quadern – den Rohlingen. Durch gezieltes Kürzen oder Entfernen von DNS-Molekülen mit Hilfe von Enzymen ließen sich daraus Stapel, Kreuzstücke sowie wannen- und brückenähnliche Teile im Nanomaßstab formen. Diese können zum Bau größerer Einheiten weiter verwendet werden.
Text: F.A.Z.
Bildmaterial: Foto Ebbe Sloth Anderson
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