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Basteln mit Erbsubsanz : Wenn die Bioroboter turnen lernen

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

Lego im Reagenzglas: Mit der Erbsubstanz DNA haben Münchner Forscher bewegliche Nanobots kreiert. Die Maschinchen lassen sich sogar fernsteuern.

          Gerade mal ein Zehntel Mikrometer groß ist das seltsame Wesen, das Nanowissenschaftler von der Technischen Universität München erschaffen haben. Es besitzt - Menschen gleich - einen Rumpf, zwei Beine und zwei Arme. Letztere sind beweglich. Sie heben und senken sich bei einem entsprechenden chemischen Signal. So ungewöhnlich wie seine Größe ist auch die Beschaffenheit des Winzlings: Denn er besteht ausschließlich aus kurzen Einzel- und Doppelsträngen viraler Erbmoleküle (DNA).

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Zur Herstellung des Objekts haben die Forscher um Hendrik Dietz ein bewährtes Verfahren verfeinert, welches sich an die japanische Papierfalttechnik Origami anlehnt und entsprechend als DNA-Origami bezeichnet wird. Bei diesem vor rund zehn Jahren entwickelten Verfahren wird üblicherweise ein langer DNA-Einzelstrang mit Hilfe von kurzen Strängen, die sich mit ihm verbinden, mehrfach gefaltet und in die gewünschte dreidimensionale Form gebracht. Dabei nutzt man die Fähigkeit zur Selbstorganisation aus, bei der sich jeweils zwei DNA-Einzelstränge von selbst zu einem stabilen Doppelstrang in Gestalt einer Doppelhelix zusammenlagern - vorausgesetzt, die Abfolge der Nukleinbasen, aus denen das Erbmolekül besteht, ist komplementär. Enzyme, die man der Lösung hinzugibt, können die Stränge vervielfältigen, zerlegen und die Abschnitte nach Wunsch wieder zusammensetzen

          Aus dem biomolekularen Werkzeugkasten

          Auf diese Weise hat man in der Vergangenheit bereits Sterne, Pyramiden, Würfel, Smileys, runde und eckige Gefäße oder Röhren im Nanoformat gebaut. Sinn und Zweck der Bemühungen: Man hofft, mit dem Verfahren eines Tages Biosensoren, Transporteinheiten für Wirkstoffe und sogar komplexe DNA-Nanomaschinen herzustellen. Für diese Anwendungen wären bewegliche Teile von Vorteil, was sich mit der herkömmlichen Origami-Technik bislang aber nur schwer verwirklichen lässt. Denn die Basenpaarung von zwei Einzelsträngen ist recht stabil und lässt sich nur aufwendig wieder lösen, was der Konstruktion von Scharnieren im Wege steht.

          Die 100 Nanometer großen Nanoroboter werden nur unter einem Elektronenmikroskop sichtbar.

          Um die Möglichkeiten des DNA-Origamis in diese Richtung zu erweitern, haben die Münchner Forscher um Dietz sich deshalb zwei weiterer Techniken aus dem biomolekularen Werkzeugkasten der Natur bedient. Sie nutzten zum einen die Fähigkeit von Biomolekülen, etwa Proteinen oder RNA-Molekülen, sich wie Puzzlesteine zu verbinden, wenn sie zueinander komplementär geformt sind. Zum anderen machten sie Gebrauch von den im Vergleich zur DNA-Paarung viel schwächeren Stapelwechselwirkungen, die zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nukleinbasen wirken und dafür sorgen, dass sich zwei passend geformte Doppelstränge miteinander verbinden. Stapelverbindungen lassen sich über Temperatur und chemische Reaktionen lösen und knüpfen.

          Bauen nach dem Legoprizip

          „Uns steht ein Portfolio von Wechselwirkungen mit klar abgestuften Bindungsstärken zur Verfügung, um mehrere Komponenten präzise in gewünschter Weise relativ zueinander zu positionieren“, erklärt Dietz, der für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Bio-Nanotechnologie kürzlich mit dem Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft ausgezeichnet wurde. Die neuen Möglichkeiten, die ihr Verfahren bietet, haben Dietz und seine Kollegen beim Bau ihres beweglichen DNA-Roboters demonstriert.

          DNA-Lego: Drei Untereinheiten bilden die Ausgangspunkte für einen  Nanobot. Die Bausteine koppeln an bestimmte Stellen (blau und rot im Modell links markiert) und setzen sich dann selbständig richtig zusammen..

          Die Forscher haben im Reagenzglas mit der herkömmlichen Origami-Technik zunächst eine Reihe von dreidimensionalen identischen Bausteinen aus gleich langen DNA-Doppelhelizes hergestellt. Indem sie Stränge an bestimmten Stellen wegließen oder anfügten, entstanden Stellen mit Vertiefungen und Ausbuchtungen, an denen ein anderer komplementär geformter DNA-Baustein einrasten konnte. Stapelwechselwirkungen sorgten für den nötigen Zusammenhalt und die entsprechende Stabilität des Gebildes. Auf diese Weise war es möglich, nach dem Baukastenprinzip und ohne eigenes Zutun komplexere Einheiten in großer Zahl zu synthetisieren, wie Dietz und seine Kollegen in der Zeitschrift „Science“ berichten. Es sei ein bisschen wie das Bauen mit Lego, vergleicht Dietz den neuen Ansatz. „Man gestaltet die Komponenten komplementär zueinander, und das ist eigentlich schon alles. Der ganze Aufwand, der mit Basenpaar-Sequenzen getrieben werden muss, um die Komponenten zu verbinden, entfällt.“

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