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DNA-Origami : Der Nano-Hase aus Erbsubstanz

Modelle aus dem 3D-Drucker, die als Vorbilder fürs Nano-Origami dienten. Bild: Erik Benson, Björn Högberg

Fast so perfekt wie aus dem 3D-Drucker: Mit der bewährten DNA-Falttechnik lassen sich nun auch komplizierte Objekte in Nano-Maßstab erschaffen.

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          Origami ist die beliebte japanische Falttechnik, mit der sich mit einer gewissen Fingerfertigkeit  und ein paar Kunstgriffen aus einem Blatt Papier allerlei Objekte herstellen lassen. Es wird auch längst von Wissenschaftlern dazu genutzt, dreidimensionale Gebilde im Nanometer-Maßstab zu fertigen. Als Baumaterial dienen hierbei längere und kürzere Stränge des Erbmoleküls (DNA). Bisweilen ist das Nano-Origami recht aufwändig, und es bedarf mehrerer Schritte bis die gewünschte Struktur entstanden ist. Schwedische Forscher haben nun das Verfahren deutlich vereinfachen können. In ersten Experimenten ist ihnen gelungen, aus DNA-Molekülen Flaschen, Spiralen und sogar einen Hasen zu basteln.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          „Dank unserer Technik ist es recht einfach DNA–Nanostrukturen herzustellen. Wir haben die Designmöglichkeiten deutlich erweitert “, sagt Björn Högberg vom des Karolinska Institut in Stockholm. Er und seine Mitarbeiter gehen ähnlich vor wie beim 3D-Druckverfahren, bei dem man zuvor im Computer das zu druckende Objekt designt. „Statt 3D-Strukturen aus Plastik, bauen wir sie mit DNA-Molekülen im Nanoformat“, sagt Hörberg. Der Forscher zerlegt mit seinen Kollegen hierbei das gewünschte Objekt am Computer zunächst in unterschiedlich große Dreiecke. Dabei verwenden sie eine Software, die man üblicherweise für CAD-Anwendungen (Computer Aided Design) nutzt.

          Computermodell der DNA-Doppelhelix. Bilderstrecke

          Mit Algorithmen aus der Graphentheorie und Optimierungstechniken berechnen die Forscher um Högberg schließlich, welche DNA-Sequenzen man zur Herstellung des gewünschten Objekts benötigt. Jeder DNA-Strang darf nur jeweils einmal für eine Dreieckskante verwendet werden. An den Knotenpunkten werden die ankommenden DNA-Moleküle über Ankerbausteinen miteinander verknüpft.

          Lackmustest für Modellierer

          Gibt man die anschließend synthetisierten DNA–Stränge in eine Salzlösung und vermischt sie miteinander, falten sich die Stränge und fügen sich von selbst korrekt zu den gewünschten Nanostrukturen zusammen. Dabei verbinden sich stets jene DNA-Moleküle miteinander, deren Basen die komplementäre Abfolge aufweisen.

          „Wir können mit unserem Verfahren Nano-Objekte und Strukturen herstellen, die mit der DAN-Origami zuvor nicht hergestellt werden konnten“, sagt Högberg. Die Materialwissenschaftler haben auf diese Weise bereits einen Ball, eine Spirale, einen Stab, ein flaschenähnliches Gefäß sowie einen Hasen – den Stanford Bunny – produziert. Letzterer gilt als Testmodell unter den 3D–Modellierern. Alle Gebilde messen in etwa 50 Nanometer. Ein weiterer großer Vorteil des Verfahrens: Anders als übliche DNA-Falttechniken benötigt man keine hohen Magnesiumchlorid-Konzentrationen. Das ist für viele potentielle biologische Anwendungen von Bedeutung, die keine hohe Salzkonzentrationen vertragen.

          „Wir können mit unserem Ansatz nun auch deutlich komplexere Strukturen herstellen“, sagt Pekka Orponen von der Universität Aalto in Finnland, Koautor der Studie, die in der Zeitschrift „Nature“ erschienen ist. Die möglichen Anwendungen sind vielfältig. Sie reichen von medizinischen Fähren, die Wirkstoffe im Körper gezielt zu den kranken Zellen transportieren bis hin zu Bio-Sensoren für die Diagnose. Die Forscher um Höger haben ihre Software für jedermann frei zugänglich ins Netz gestellt mit der Hoffnung, möglichst viel Interessenten und Nachahmer für ihre Technik zu finden.

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