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DNA-Origami : Der Steckbaukasten für Nanomaschinen

Illustration: DNA-Roboter, erschaffen aus dem Bio-Baukasten. Bild: C. Hohmann (NIM)

Mit DNA-Origami und molekularer Selbsterkennung kreieren Münchner Forscher Motoren, Greifer und Hampelmänner. Und es geht noch komplexer.

          Auf mechanische DNA-Objekte haben sich die Wissenschaftler um Hendrik Dietz von der Technischen Universität München spezialisiert. Zu ihrem Arsenal gehören Dreiecke, Würfel, Zahnräder und Scharnier, aber auch Greifer, Rotoren und sogar ein Hampelmann im Nanoformat. Viele der kaum ein Zehntel Mikrometer großen Bauteile bestehen aus beweglichen Elementen, was sich mit der herkömmlichen Origami-Technik nur schwer verwirklichen lässt. Denn die Basenpaarung von zwei Einzelsträngen ist recht stabil und lässt sich nur mit Aufwand lösen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Um die Möglichkeiten des DNA-Origamis zu erweitern, bedienen sich Dietz und seine Kollegen weiterer Techniken aus dem biomolekularen Werkzeugkasten der Natur. Sie nutzen beispielsweise die Fähigkeit von Proteinen, sich wie Puzzlesteine zu verbinden, wenn sie zueinander komplementär geformt sind. Zum anderen machen die Forscher Gebrauch von den im Vergleich zur DNA-Paarung schwächeren Stapelwechselwirkungen, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nukleinbasen wirken. Solche Verbindungen lassen sich über Temperatur und chemische Reaktionen lösen und knüpfen.

          Ein chemischer Schalter

          Bei der Synthese eines Objekts greift man auf ein bewährtes Rezept zurück. Zunächst werden im Reagenzglas mit der herkömmlichen Origami-Technik eine Reihe von dreidimensionalen identischen Bausteinen aus gleich langen DNA-Doppelhelizes hergestellt. Indem man Erbgutstränge an bestimmten Stellen weglässt oder anfügt, entstehen Orte mit Vertiefungen und Ausbuchtungen, an denen ein anderer komplementär geformter DNA-Baustein einrasten kann. Stapelwechselwirkungen sorgten für den nötigen Zusammenhalt und die entsprechende Stabilität.

          Steckbaukasten aus DNA-Bauteilen Bilderstrecke

          Auf diese Weise ist es möglich, nach dem Baukastenprinzip und ohne eigenes Zutun komplexere Einheiten in großer Zahl zu synthetisieren, ähnlich wie Lego. Dass sich die Bauteile von selbst zu den gewünschten Objekten zusammenfinden, steuern Dietz und seine Kollegen über die Zugabe positiv geladener Ionen. Über die Ionen-Konzentration können sie beispielsweise bestimmen, ob sich beim DNA-Hampelmann die Arme heben oder senken.

          Ein Rotor, der sich in eine Vorzugsrichtung dreht, ist eine weitere Errungenschaft von Dietz und seinen Kollegen. Der Propeller besteht aus gefalteten 120 Nanometer langen DNA-Strängen, die wie ein Inbus geformt sind. Das kürzere Stück bildet die Achse. Zwei DNA-Klemmen geben ihr so viel Spiel, dass der Propeller in einem DNA-Sockel frei rotieren kann. Angetrieben wird der Rotor derzeit noch von der Brownschen Molekularbewegung. Künftig soll das auch thermisch und chemisch erfolgen. Das Ziel der Forscher um Dietz sind Nanomaschinen, die ähnlich komplex aufgebaut sind wie die molekularen Maschinen in unseren Zellen.

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