Nano-Origami mit Erbgut-Molekülen
Forscher entwickeln neue Werkzeuge, um aus kurzen DNA-Molekülen Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen zu formen
Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Harvard University haben neue Werkzeuge entwickelt, um aus kurzen DNA-Molekülen Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen zu formen. Sie berichten sie über eine Reihe von Experimenten, in denen sie DNA Origami-ähnlich in dreidimensionale Objekte falten konnten, inklusive einer kugelförmigen Gerüstkonstruktion mit nur 50 Nanometer Durchmesser.
Abb.: Beispielhafte Nanostrukturen, für die Erbgut-Moleküle ideale Bausteine sind (Bild: TU München)
"Unser Ziel war es herauszufinden, ob wir DNA so programmieren können dass sie sich selbst in Formen mit vorgegebenen Krümmungen und Windungen in der Größenordnung weniger Nanometer anordnet," erklärt der Biophysiker Hendrik Dietz von der Technischen Universität München. Er arbeitete an diesen Experimenten zusammen mit William Shih und Shawn Douglas von der Harvard University. "Es hat funktioniert," fügt er hinzu, "und wir können jetzt viele verschiedene dreidimensionale Bauteile im Nanobereich herstellen. Etwa Zahnräder oder gebogene Rohre und Kapseln." Diese Bauteile hoffen die Forscher zu größeren, komplexeren Funktionseinheiten kombinieren zu können.
Als Medium für Konstruktionen im Nanobereich hat DNA zwei Vorteile: Sie ist ein intelligenter Werkstoff, nicht nur robust und zugleich flexibel sondern auch programmierbar. Zudem ist sie durch jahrzehntelange Arbeit sehr gut erforscht. Die elementaren Werkzeuge die Dietz, Douglas und Shih anwenden, sind die programmierbare Selbstorganisation - das Leiten der DNA Stränge in bestimmte vorgegebene Bündel von quer verknüpften Doppelhelizes - und gezieltes Einfügen und Herausnehmen von Basenpaaren. Letztere geben in solchen Bündeln die gewünschte Windung oder Krümmung vor. Die Forscher können nicht nur festlegen ob die Windung rechts oder linksherum erfolgen soll sondern sie können die entstehenden Formen präzise und quantitative kontrollieren und ereichen extrem enge Krümmungsradien von 6 Nanometern.
Die Werkzeuge die sie entwickelt haben beinhalten eine graphische Software die hilft, bestimmte Design-Konzepte in die dafür nötige DNA-Programmierung zu übersetzen. Dreidimensionale Objekte werden durch die Feinabstimmung von Anzahl, Anordnung und Länge der Helizes erzeugt.
In ihrer Publikation präsentieren die Wissenschaftler eine große Auswahl an Nanogebilden und beschreiben im Detail wie sie geplant, hergestellt und validiert wurden. "Viele fortgeschrittene, makroskopische Maschinen benötigen seltsam geformte Teile um zu funktionieren," sagt Dietz, "und wir haben die Werkzeuge sie zu fertigen. Aber momentan können wir keine so komplizierten Gebilde generieren wie die Beine einer Ameise oder - noch viel kleiner - 10 Nanometer große chemische Fabriken wie ein Enzym. Wir erwarten einen großen Nutzen, wenn wir nur miniaturisierte Maschinen im Nanobereich bauen könnten, aus Materialien die zuverlässig in unseren Körperzellen arbeiten - aus Biomolekülen wie DNA."
Technische Universität München
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