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Nanowissenschaft : Lasst uns Lego spielen mit der Erbsubstanz

Setzkasten mit DNA-Bauklötzen: Links sind die Computermodelle zu sehen, rechts die fertigen Erbsubstanz-Produkte. Die Kantenlänge der Würfel beträgt 25 Nanometer. Bild: Yonggang Ke

Einsträngige Moleküle aus Erbsubstanz sind für viele Forscher die idealen Materialien für Bauwerke im Nanomaßstab. Jetzt ist die Palette der DNS-Objekte um einen ganzen Setzkasten vielfältiger Formen erweitert worden.

          Buchstaben, Zahlen, T-Stücke, Herzen, Würfel aller Art, Kreuze oder Smilys - kaum zu überbieten ist der Formenreichtum der Bauklötze, die Nanowissenschaftler von der Harvard University in Cambridge (Massachusetts) ersonnen haben. So erstaunlich wie ihre Größe - jedes Objekt misst nur 25 Nanometer -, so ungewöhnlich ist das Material der dreidimensionalen Bausteine. Es handelt sich um kurze Stränge aus Erbsubstanz.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Erkennung und  Organisation alles von selbst

          Die Forscher um Peng Yin nutzen wie viele ihrer Kollegen die Vorteile der Biomoleküle. Dank molekularer Selbsterkennung verbinden sich zwei Einzelstränge von selbst zu einem stabilen Doppelstrang in Gestalt einer Doppelhelix - vorausgesetzt, die Abfolge der Basen ist komplementär zueinander. Enzyme können einen Strang vervielfältigen, zerlegen und die Abschnitte nach Wunsch wieder zusammensetzen. Auf diese Weise sind bereits in vielen Labors nur wenige Nanometer große Polyeder Ringe und andere geometrische Objekte hergestellt worden. Yin und seine Kollegen haben die Möglichkeiten des DNA-Bauwesens merklich erweitert.

          Bauen nach dem  Lego-Prinzip

          Die Wissenschaftler haben eine Art Lego-Prinzip entwickelt, mit dem sie beliebig geformte dreidimensionale Objekte bauen können. Ausgangspunkt sind synthetisch hergestellte DNA-Einzelstränge, die jeweils aus 32 Basen bestehen. Jeder Strang, der V-förmig gebogen ist, enthält vier Abschnitte, an die wiederum je vier andere DNA-Moleküle andocken können. Fügt man nun Strang an Strang aneinander, entsteht allmählich ein dreidimensionales Gebilde. So war es den Forschern möglich, aus nur tausend Einzelsträngen einen winzigen Kubus zu bauen. Der entscheidende Kunstgriff: Ließen Yin und seine Kollegen bestimmte Stränge weg, entstanden winzige Hohlräume, Ecken oder Kanten in den Würfeln.

          Vom Computer ins Reagenzglas

          Auf diese Weise haben die Forscher bereits 102 unterschiedliche geformte Bauklötzchen geschaffen. Das Design selbst erfolgte am Computer, der ermittelte, wie die Basensequenzen der Einzelstränge beschaffen sein mussten, damit sich ein entsprechend geformter Klotz bilden konnte. Die entsprechenden Einzelstränge wurden synthetisiert und dann in einem Reagenzglas erwärmt. Nach 72 Stunden wurde das Gemisch abgekühlt, wobei zahlreiche Kopien des gewünschten Endprodukts entstanden waren (“Science“, Bd. 338, S. 1177).

          Die DNA-Klötzchen können ihrerseits als Bausteine für größere, komplexere Gebilde dienen. Da sie nur aus DNA bestehen, könnten sie aber auch in der Medizintechnik Anwendung finden, etwa als Transportvehikel für Wirkstoffe. Diese könnten auf der Oberfläche sitzen oder in einen Hohlraum untergebracht werden.

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