Nanotechnik mit Hula-Hoop

Aus Goldnanopartikeln und langen DNA-Strängen lassen sich gezielt periodische Nanostrukturen herstellen.

Vielseitige DNA: In unseren Körpern ist sie die Erbsubstanz, in den Händen von Wissenschaftlern mausert sie sich mehr und mehr zum Baustoff der Wahl für die Nanotechnologie. DNA ist sehr stabil und mechanisch fest, und dank ihrer spezifischen Basenpaarungen zum Doppelstrang sind vorhersagbare Strukturen zugänglich. Kanadischen Forschern um Michael A. Brook, Yingfu Li und Weian Zhao ist es nun gelungen, gezielt periodische dreidimensionale Nanostrukturen aus langen DNA-Einzelsträngen und Goldnanopartikeln herzustellen. Nanorechner, Nanostromkreise und hoch empfindliche Biosensoren sehen die Forscher als potenzielle Anwendungsfelder.

Erfolgsgeheimnis ist eine DNA-Vervielfältigungstechnik, die als Rolling-Circle-Amplifizierung oder auch Hula-Hoop-Technik bezeichnet wird. Eine ringförmige einzelsträngige DNA ist dabei die Vorlage, ein spezielles Polymerase-Enzym „liest“ diese Vorlage ab und baut den entsprechenden komplementären Strang zusammen. Wenn dieser komplett ist, hört dieser Polymerase-Typ, anders als sonstige Polymerasen, aber nicht mit der Arbeit auf. Er ist in der Lage, den frischen Strang Stück für Stück von der Vorlage zu trennen und liest den Ring einfach ohne Unterbrechung immer wieder von neuem ab. Auf diese Weise entstehen lange (theoretisch unendlich lange) DNA-Einzelstränge mit einer Sequenz aus sich wiederholenden Motiven.

Das kanadische Team nahm Goldnanopartikel von 15 nm Durchmesser und knüpfte daran kurze DNA-Schnipsel. Über eine spezifische Basenpaarung wurden dann kleine DNA-Ringe angedockt und eine Hula-hoop-fähige Polymerase zugegeben. Und los ging’s, immer im Kreis herum, bis lange DNA-Ketten an den Goldkügelchen hingen. Um zu zeigen, dass diese Aggregate als Gerüste für 3D-Strukturen taugen, gaben die Forscher kleinere Goldpartikel zu (5 nm Durchmesser), die mit je einem kurzen DNA-Schnipsel versehen waren. Die Sequenz dieser Fragmente ist zu einem Bereich der Wiederholsequenz der langen DNA-Ketten komplementär, die Fragmente docken an. Da sich das Motiv periodisch wiederholt, waren die DNA-Stränge nun mit vielen kleinen Goldpartikeln in einheitlichen Abständen bestückt – wie die Perlen bei einer Halskette. Es entsteht eine periodische Nanostruktur.

„Aufbau und Mikrostruktur solcher dreidimensionaler Nanogebilde sind sehr gut und einfach steuerbar. Da eine DNA-Basenpaarung auch wieder aufgehoben werden kann, sind die Gebilde reversibel zusammen- und wieder auseinander zu bauen,“ beschreiben Brook, Li und Zhao die besonderen Vorteile ihres „Nanobausatzes“.

Quelle: Angweandte Chemie

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Weian Zhao, Yan Gao, Srinivas A. Kandadai, Michael A. Brook, Yingfu Li, DNA Polymerization on Gold Nanoparticles through Rolling Circle Amplification: Towards Novel Scaffolds for Three-Dimensional Periodic Nanoassemblies, Angewandte Chemie 118, 2469 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1002/ange.200600061 
• Yingfu Li, McMaster University, Hamilton (Canada):
  http://www.science.mcmaster.ca/biochem/faculty/li/index.htm