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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.

          4 Min.

          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.“

          Nanoroboter übt turnen

          Allerdings mussten die Wissenschaftler dafür sorgen, dass sich stets genügend positiv geladene Ionen in der Lösung befanden. Der Grund: DNA-Doppelhelizes und damit auch die Außenflächen der von den Forschern gefertigten Bausteine sind von Natur aus negativ geladen und haben deshalb die Tendenz, sich gegenseitig abzustoßen. Da die elektrostatische Abstoßung viel stärker ist als etwa die anziehenden Stapelwechselwirkungen, würden sich formkomplementäre Bausteine ohne eine ausreichende Menge an hinzugegebenen positiven Ladungsträgern normalerweise nicht miteinander verbinden. Die positiven Ionen lagern sich an die Moleküle, neutralisieren die abstoßenden elektrostatischen Kräfte und bewirken somit einen abschirmenden Effekt.

          Turnübung der Nanobots: Bei einer hohen Konzentration von Magnesiumionen in der Lösung werden die abstoßenden elektrostatischen Kräfte kompensiert. Die Arme des DNA-Roboters klappen an den Körper.

          Drei speziell geformte Bausteine bildeten die Elemente für den DNA-Roboter (siehe Abbildung unten). Dass sich diese von selbst zusammenfanden und korrekt montierten, steuerten die Forscher über die dosierte Zugabe positiv geladener Magnesiumionen. Das Ergebnis ihrer Bemühungen konnten sie allerdings nur unter dem Elektronenmikroskop bewundern. Denn für das menschliche Auge sind die Roboter mit ihrer Körperlänge von rund 100 Nanometer zu klein.

          Synthetische molekulare Maschinchen in Reichweite?

          Damit die DNA-Wesen dauerhaft stabil blieben, war eine vergleichsweise hohe Ionen-Konzentration erforderlich. Die Arme der Roboter befanden sich dicht am Rumpf. Als die Forscher die Lösung leicht verdünnten und dadurch den Gehalt an Magnesiumionen verringerten, klappten die Arme hoch. Die Bindungen zwischen den Armen und dem Rumpf verloren an Stabilität. Eine weitere Verdünnung bewirkte, dass die Gebilde in ihre drei Bestandteile zerfielen. Ähnliche Beobachtungen hat man bei einem DNA-Objekt gemacht, das sich ähnlich wie ein Buch aufklappen und schließen ließ. Den Forschern um Dietz ging es bei ihren Versuchen jedoch weniger darum, den DNA-Bausteinen „Leben einzuhauchen“, als vielmehr darum, die miteinander konkurrierenden anziehenden und abstoßenden Kräfte auszuloten und Gleichgewichtszustände zu kontrollieren.

          Turnübung der Nanobots: Bei einer mittleren Konzentration an Magnesiumionen in der Lösung werden die abstoßenden elektrostatischen Kräfte nicht mehr vollständig kompensiert. Die Arme des DNA-Roboters heben sich. Wird der Ionengehalt weiter reduziert, zerfällt der Roboter wieder in seine drei Bautsteine.

          Statt über die Veränderung der Konzentration der Ionen können die Forscher die Zustände ihrer Nanoobjekte prinzipiell auch über die Temperatur steuern, etwa indem man eine Lösung erwärmt oder abkühlt. Das haben sie am Beispiel eines Aktuators demonstriert, der sich - abhängig von der vorherrschenden Temperatur - wie eine Schere öffnen und schließen ließ. Dieser Vorgang konnte mehr als tausendmal wiederholt werden, ohne dass Anzeichen von Abnutzung zu beobachten waren. Das ist für Dietz und seinen Kollegen ein echter Fortschritt. Wollte man DNA-Objekte früher in einen anderen Zustand befördern, musste man einen Teil der Basenpaare durch Zugabe weiterer DNA-Moleküle trennen und wieder miteinander verbinden, was schnell zu einem Verschleiß der Objekte führte.

          „Das zyklische Aufheizen und Abkühlen wäre ein Weg, um Energie in das System zu bringen“, sagt Dietz und denkt dabei an kontinuierlich laufende Nanomaschinen, die über Wärmezufuhr angetrieben werden. Doch bis dahin dürfte es noch ein weiter Weg sein. Die Nanowissenschaftler aus München sind zuversichtlich, dass der neue Ansatz die Anwendungsmöglichkeiten des DNA-Origamis beflügelt. William M. Shih  von der Harvard Medical School in Boston glaubt sogar, wie er in einem Begleitkommentar in „Science“ ausführt, dass die Forscher aus München einen Weg hin zu Nanomaschinen geebnet haben, die eines Tages einen ähnlich hohen Grad an Komplexität erreichen, wie die molekularen Maschinen in unseren Zellen.

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