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Nanotechnik : Origami mit DNS-Molekülen

  • -Aktualisiert am

Maßgeschneiderte Moleküle: Die DNS ist besonders vielseitig Bild: Purdue University

Maßgeschneiderte Moleküle werden für die Nanowissenschaftler immer wichtiger. Als besonders vielseitig hat sich dabei das Erbmolekül erwiesen. Zwei Forschergruppen versprechen einen einfachen Bausatz aus DNS für komplizierte Polyeder.

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          Maßgeschneiderte Moleküle werden für die Nanowissenschaftler immer wichtiger, lassen sich mit ihnen doch äußerst komplexe Strukturen konstruieren. Als besonders vielseitig hat sich das Erbmolekül, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), erwiesen, da jeweils zwei Einzelstränge von selbst zu einer Doppelhelix zusammenfinden, vorausgesetzt, die Basen, aus denen jeder Strang besteht, sind komplementär zueinander angeordnet. Dieses Prinzip der Selbstorganisation haben die Forscher bereits dazu genutzt, zwei- und dreidimensionale Gebilde zu bauen, die nur wenige Nanometer messen.

          Bisher mussten die Wissenschaftler dafür allerdings unzählige unterschiedliche DNS-Stränge kombinieren, was die Konstruktion komplexer Strukturen erheblich erschwerte. Nun versprechen zwei Forschergruppen Erleichterung. Amerikanische und deutsche Chemiker haben unabhängig voneinander eine Art Baukastensystem entwickelt, mit dem sie auf vergleichsweise einfache Art komplizierte Polyeder erzeugen können. Die Hohlkörper, die man als Transportvehikel für Wirkstoffe nutzen könnte, sind das Ergebnis eines ausgeklügelten Selbstorganisationsprozesses.

          30 Kanten, 20 Ecken, zwölf Flächen

          Während Günter von Kiedrowski von der Ruhr-Universität Bochum und seine Kollegen elastische Dodekaeder – Vielecke mit 30 Kanten, 20 Ecken und zwölf Flächen – erzeugten, schufen die Wissenschaftler um Chengde Mao von der Purdue University in West Lafayette (Indiana) eine ganze Palette kleiner und großer Polyeder. Beide Forschergruppen verwendeten als Ausgangsmaterial kurze Nukleotidketten. Deren Basensequenz hatte man vorher so gewählt, dass sich die DNS-Stücke in einer ganz bestimmten räumlichen Konstellation zusammenschlossen, und zwar stets zu dreibeinigen Verzweigungsstücken. Diese bildeten gewissermaßen die Bausteine der Vielecke. Jedes Bein bestand aus einem Doppelstrang, an dessen freiem Ende jeweils ein Stück mit wenigen Basen überstand. Daran konnte ein komplementäres Ende eines anderen Verzweigungsstückes andocken.

          Während die deutschen Forscher die drei DNS-Beine mit einem zentralen Kohlenstoffring verknüpften und stabilisierten, sorgte bei den amerikanischen Chemikern ein kurzer gewundener Einzelstrang aus bis zu fünf Basen für den Zusammenhalt der Verzweigungsstücke. Je länger die zentrale DNS-Schleife war, desto elastischer wurden auch die dreibeinigen Gebilde von Mao und seinen Kollegen. Das erwies sich besonders bei der Konstruktion von kleinen Polyedern als Vorteil, da diese nur wenige Ecken besitzen und entsprechend wenige, aber biegsame Verzweigungsstücke erfordern.

          Zusammenpressen wie einen Softball

          Zur Herstellung der Polyeder gaben die amerikanischen Wissenschaftler die DNS-Stränge in eine wässerige Lösung, die sie auf 95 Grad erhitzten und dann langsam auf Raumtemperatur abkühlen ließen. Je nach Konzentration der Erbmoleküle formten sich darin die Vielecke unterschiedlicher Gestalt. Bei niedriger Konzentration bildeten sich bevorzugt kleine Tetraeder mit einer Kantenlänge von rund fünfzehn Nanometern, aber auch Dodekaeder mit einem Durchmesser von rund 50 Nanometern. War die Konzentration an DNS-Molekülen hoch, entstanden überwiegend fußballförmige Ikosaeder mit einem Durchmesser von 90 Nanometern („Nature“, Bd. 452, S. 198). Mit einem Rasterkraftmikroskop begutachteten die Forscher die Gestalt und die Größe ihrer Objekte.

          Ein ähnliches Kochrezept verwendeten auch von Kiedrowski und seine Kollegen, von dem sie in der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ (Bd. 120, S. 3682) berichten. Mit einem Computer hatten sie zunächst die exakte Konfiguration ihrer Dodekaeder berechnet und dann die erforderlichen zwanzig Verzweigungsstücke synthetisiert. Den Bausatz gaben sie in eine Pufferlösung, die sie erwärmten und dann auf vier Grad abkühlten. Als sie ihr Reaktionsprodukt schließlich unter dem Rasterkraftmikroskop betrachteten, sahen sie lauter zwanzig Nanometer große Dodekaeder. Diese erwiesen sich als äußerst elastisch und konnten wie Softbälle bis auf vier Nanometer zusammengepresst werden, ohne dabei Schaden zu nehmen.

          Andocken von Biomolekülen und Wirkstoffen

          Für die Polyeder der amerikanischen und deutschen Forscher sind viele Anwendungen denkbar. Würden die Beine der Verzweigungsstücke beispielsweise mit überhängenden Einzelsträngen ausgerüstet, könnten daran Biomoleküle und Wirkstoffe andocken. In den Körper eingeschleust, würden die Polyeder ihre Fracht zu dem Zielort befördern. Zudem ließen sich die Vielecke über die zusätzlichen Stränge zu größeren Gebilden verknüpfen.

          Mit dem Erbmolekül lassen sich offenkundig auch dreidimensionale Kristalle aus winzigen Goldkügelchen bauen, wie zwei Forschergruppen kürzlich gezeigt haben. Dazu haben sie die Oberfläche von etwa zehn Nanometer großen Edelmetallpartikeln mit unzähligen DNS-Doppelsträngen versehen, die ein überstehendes ungepaartes Ende besaßen. Daran konnte jeweils ein weiteres DNS-Molekül, das zu einem anderen Goldkügelchen gehörte, mit seinem komplementären Ende andocken. Auf diese Weise gelang es Oleg Gang und seinen Kollegen vom Brookhaven National Laboratory in New York, die Goldkügelchen in einem kubisch-raumzentrierten Kristallgitter anzuordnen. Die Nanopartikeln saßen an den Ecken von Würfeln, in deren Mitte sich jeweils ein weiteres Goldteilchen befand („Nature“, Bd. 451, S. 549). Jedes Metallkügelchen hatte acht nächste Nachbarn.

          Zwölf statt acht nächste Nachbarn

          Die Forscher um Chad Mirkin von der Northwestern University in Illinois konnten mit einer ähnlichen Technik die Goldpartikeln zudem in einem kubisch-flächenzentrierten Kristallgitter anordnen („Nature“, Bd. 451, S. 553). Nun besaß jedes Metallteilchen statt acht zwölf nächste Nachbarn. Damit bei den Versuchen die Nanopartikeln nicht verklumpten, wurden die DNS-Doppelstränge mit einem elastischen Zwischenstück versehen, das ihnen eine gewisse Beweglichkeit verlieh. Die Nanopartikeln sind in den Kristallgittern nicht sonderlich dicht gepackt. Die Kristalle bestehen zu 90 Prozent aus Wasser. Die Flüssigkeit sorgt zwar für die nötige Stabilität der würfelförmigen Gebilde, verhindert derzeit aber auch eine mögliche Anwendung.

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