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Gentechnik : Die Straßenbahn aus Erbsubstanz

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Die Erbsubstanz ist ein bewährtes Baumaterial für Nanomaschinen aller Art. Denn sie besteht aus zwei fadenförmigen Strängen, die wie die Holme einer Leiter durch Sprossen verbunden sind.

          Wissenschaftler werden mitunter vom Spieltrieb geleitet, wenn sie Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften oder funktionale Bauelemente mit Abmessungen von nur wenigen millionstel Millimetern - etwa für die Mikroelektronik - erschaffen.

          Für die Konstruktion funktionsfähiger Maschinen holen sich Nanotechnologen auch schon mal Anregungen in einer Spielzeugabteilung. Amerikanischen und britischen Forschern diente bei ihrer jüngsten Errungenschaft offenkundig eine kleine Straßenbahn als Vorbild. Hao Yan und John Reif von der Duke University in Durham sowie Andrew Turberfield von der University of Oxford haben in einem Reagenzglas ein winziges Transportsystem geschaffen, das aus einer Schiene und drei Haltestellen besteht. Als Baumaterial verwendeten sie das Erbmolekül, die Desoxyribonukleinsäure (DNS). Zwischen den Haltepunkten der Miniaturbahn kann ein kleines Objekt, das ebenfalls aus Erbsubstanz konstruiert wurde, wandern. Der Brennstoff, der die kleine "Straßenbahn" auf ihrer Fahrt vorantreibt, ist Adenosintriphosphat (ATP).

          Künstliche DNS-Stränge

          Die Erbsubstanz ist ein bewährtes Baumaterial für Nanomaschinen aller Art. Denn sie besteht aus zwei fadenförmigen Strängen, die wie die Holme einer Leiter durch Sprossen verbunden sind. Jeder Einzelstrang wird aus nur vier verschiedenen aneinandergereihten Bausteinen gebildet, den Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin. Ist die Abfolge dieser Bausteine in zwei Einzelsträngen zueinander komplementär - trifft also stets Adenin auf Thymin und Cytosin auf Guanin -, verbinden sich beide Einzelstränge zur charakteristischen Doppelhelix. Diese Bauvorschriften haben die Forscher für ihr Transportsystem genutzt: Sie erzeugten künstliche DNS-Stränge, deren Basenfolge sie so vorgaben, daß sich die Erbsubstanz von allein zum funktionsfähigen Transportsystem zusammenlagert.

          Den Schienenstrang haben die Wissenschaftler aus einer DNS-Doppelhelix hergestellt. Daran brachten sie in gleichmäßigen Abständen drei "Scharniere" an, die aus DNS-Einzelsträngen bestehen. An diesen Scharnieren wurden die Haltestellen fixiert: insgesamt drei doppelsträngige DNS-Stücke, die wie starre Stäbe rechtwinklig vom Schienenstrang abstehen. Am äußeren Ende der Haltestellen ließen die Forscher jeweils ein Stück einzelsträngige DNS überstehen. Die Straßenbahn kann daran andocken wie ein Druckknopf an seinem Pendant. Denn das kleine Gefährt weist ebenfalls solche herausragenden Einzelstränge auf, die eine entsprechend komplementäre Basenfolge besitzen.

          Enzymatische "Schere"

          Zu Beginn des Experimentes ist die Straßenbahn an der ersten Haltestelle befestigt. Wenn die Forscher ein bestimmtes Enzym, eine Ligase, zugeben, verklebt dieses die Straßenbahn zusätzlich mit der zweiten Haltestelle. In diesem Moment stehen beide Haltestellen nicht mehr länger rechtwinklig vom Schienenstrang ab, sondern klappen an den Scharnieren um, so daß sie die Straßenbahn sozusagen einander überreichen können. Anschließend kommt ein zweites Enzym ins Spiel. Die Forscher lassen eine Nuklease wirken, die DNS-Stränge durchtrennen kann. Diese enzymatische "Schere" zerschneidet die Bindungen zwischen der Straßenbahn und der ersten Haltestelle. Somit ist die Bahn eine Position vorangekommen. Der Wechsel von der zweiten zur dritten Haltestelle erfolgt dann nach dem gleichen Prinzip ("Angewandte Chemie", Bd. 116, S. 5014).

          Solange der biologische Treibstoff ATP zur Verfügung steht, der von den Enzymen verbraucht wird, arbeitet das Transportsystem, und die Straßenbahn fährt von der ersten zur letzten Haltestelle. Durch das spezielle Design der Haltestellen ist es unmöglich, daß sie unterwegs umkehrt. Auch konnten die Forscher zeigen, daß eine Straßenbahn stets an "ihrem" Schienenstrang bleibt und niemals auf ein anderes System wechselt, auch wenn gleichzeitig viele Moleküle im Reagenzglas vorliegen und sich nahe kommen können.

          Das - mit lediglich drei Haltestellen - recht schlicht konstruierte Transportsystem läßt sich nach Ansicht der Wissenschaftler in verschiedene Richtungen weiterentwickeln. Zum einen kann man die Straßenbahn zum Träger von Informationen oder Lasten umbauen, so daß beispielsweise winzige Partikel befördert werden könnten. Eine andere Möglichkeit bestünde darin, aus DNS-Molekülen ein Schienennetz zu konstruieren, das Transporte sogar in mehreren Raumdimensionen erlaubt.

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