Nanoroboter läuft mit DNA-Beinen

Prototypen von molekularen Maschinen können in vorgewählte Richtungen gehen und Lasten tragen.

Nanoroboter, die Arzneien durch Blutbahnen transportieren oder winzige Maschinen aus einzelnen Molekülen zusammensetzen, existieren heute nur in Science-Fiction-Romanen. Doch diese visionäre Zukunft im Blick gelang nun zwei amerikanischen Forschergruppen unabhängig voneinander weitere Schritte nach vorne. Sie schufen aus Proteinen und Erbgutsträngen winzige Nanomaschinen, die entweder in eine vorgegebene Richtung gelenkt werden oder eine Ladung aus Molekülen transportieren konnten.

Das Team um Hao Yan von der Arizona State University in Tempe griff das Konzept von nanoskaligen Laufrobotern auf, bei denen an das Bakterien-Protein Streptavidin mehrere "Beine" aus einzelnen DNA-Strängen angedockt werden. In ihren Versuchen diente eine 20 Basen lange Molekülsequenz als Anker und drei weitere DNA-Stränge als Beine. Für den Antrieb nutzen die Forscher die DNA-Hybridisierung aus. Ein Prozess, bei dem sich komplementäre Einzelstränge zu Doppelsträngen zusammenlagern.

Dieses Laufprinzip der "DNA-Spinnen" konnte bereits vor drei Jahren von Bath und Turberfield an der University of Oxford erfolgreich demonstriert werden. Neu ist nun die Kontrolle über die Laufrichtung. Dazu entwickelten Yan und Kollegen eine Oberfläche mit speziell angeordneten DNA-Molekülen. Die drei Laufbeine der "DNA-Spinne" verknüpften sich nun nacheinander mit einzelnen dieser Stränge auf der Oberfläche, bereits bestehende Kopplungen wurden dabei wieder gelöst. Stück für Stück konnte die "DNA-Spinne" sich von Erbgut-Strang zu Erbgut-Strang hangeln. Die Richtung ließ sich dabei durch eine vorher gewählte Anordnung der Moleküle auf der Laufoberfläche vor bestimmen und mit Hilfe eines Atomkraftmikroskops verfolgen.

Nicht das kontrollierte Laufen, sondern den Materialtransport mit Nanorobotern setzen sich dagegen Nadrian C. Seeman und Hongzhou Gu von der New York University und seine chinesischen Kollegen von der Nanjing Universität zum Ziel. Sie entwickelten den Prototyp für ein Nano-Fließband. Ihr Nanoroboter besteht aus vier DNA-Beinen und zusätzlich drei weiteren, molekularen Armen, an denen verschiedene Moleküle angedockt werden können. Durch die Zugabe von speziellen DNA-Abschnitte kann dieser Nanoroboter durch die DNA-Hybridisierung angetrieben werden, ähnlich wie ein Esel, dem man eine Möhre vor die Schnauze hält. Doch zusätzlich können die DNA-Arme einzelne Moleküle von einer Oberfläche über die Wechselwirkung mit der einzelsträngigen Erbgutsequenz aufnehmen und an einem anderen Punkt wieder absetzen.

"Wir wollen synthetische Moleküle, die herumlaufen, Lasten tragen und als chemische Fabriken agieren können", sagt Paul Rothermund vom California Institute of Technology gegenüber dem Informationsdienst "Physicsworld". Und diese beiden Veröffentlichung seien ein bedeutender Schritt in diese Richtung. Auch Lloyd M. Smith, Chemiker an der University of Wisconsin äußert sich in einem begleitenden Kommentar begeistert: "Es ist inspirierend, eine solche Kreativität und schnellen Fortschritt bei der Entwicklung autonomer, molekularer Systeme zu sehen." In weiteren Schritten könnten nun beide Ansätze – kontrollierter Lauf und Lastentransport – in einem Nanoroboter kombiniert werden. Dennoch sind solche Versuche noch sehr weit von jeder denkbaren Anwendung – sei es eine Nanofabrik oder ein Arzneitransporter – entfernt.

Jan Oliver Löfken

Weiterführende Literatur:

• Adleman, L. M.: Molecular computation of solutions to combinatorial problems. Science 266, 1021–1024 (1994)
  dx.doi.org/10.1126/science.7973651
 
• Bath, J. & Turberfield, A. J.: DNA Nanomachines. Nature Nanotechnol. 2, 275–284 (2007)
  dx.doi.org/10.1038/nnano.2007.104
 
• Rothemund, P. W. K.: Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature 440, 297–302 (2006)
  dx.doi.org/10.1038/nature04586

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