Tic-Tac-Toe im Nanoformat: Forscher haben die Fähigkeit der DNA zur Selbstorganisation für eine ganz neue Nanokonstruktion genutzt. Ausgehend von verschiedenen DNA-Fliesen kreierten sie ein „Drei gewinnt“-Spielfeld, das sogar bespielbar ist. Denn dank der Bindungseigenschaft der DNA lassen sich Fliesen mit spezifischen Eigenschaften an ganz bestimmte Positionen auf dem Spielfeld dirigieren und so ein „X“ oder „O“ setzen. Dieser Ansatz könnte künftig auch bei der Reparatur von Nanomaschinen helfen, wie das Team im Fachmagazin „Nature Communications“ berichtet.
Das Erbmolekül DNA ist durch seine vier „Buchstaben des Lebens“ – die DNA-Basen – eine geniale Konstruktion der Natur. Weil nur jeweils zwei Basen zusammenpassen, ist ein Kopieren des Codes möglich und damit auch seine Weitergabe an Tochterzellen. Die Bindung der komplementären DNA-Basen ermöglicht jedoch auch die Konstruktion ganz neuer Formen und Bauteile aus DNA. Beim DNA-Origami nutzen Forscher diese Neigung zur Selbstorganisation, um DNA-Stränge zu netzartigen Geweben, dreidimensionalen Boxen oder Nano-Robotern zusammenzufügen.
Dynamische Interaktionen
Kürzlich hat ein Forscherteam sogar flache Fliesen aus DNA dazu gebracht, sich in Form der Mona Lisa von Leonardo da Vinci zu organisieren. Der einzige Nachteil ihrer Methode: Einmal kreiert, ließ sich das Nano-Bild nachträglich nicht mehr verändern. Genau dies ist den Wissenschaftlern um Lulu Qian vom California Institute of Technology (Caltech) nun jedoch mithilfe eines neuen Ansatzes gelungen: „Wir haben einen Mechanismus entwickelt, um dynamische Interaktionen zwischen komplexen DNA-Nanostrukturen zu programmieren und so bereits bestehende Strukturen umzuformen „, berichtet Qian.
Damit entwickelten sie und ihre Kollegen das kleinste Tic-Tac-Toe-Spiel der Welt – auch bekannt als „Drei gewinnt“. Konkret kombinierten die Forscher zwei bekannte DNA-Nanotechnologien: Zum einen nutzten sie das bereits für die Mona Lisa angewendete Prinzip der DNA-Fliesen, die sich von ihrer spezifischen Struktur geleitet selbständig zu größeren Einheiten zusammenlagern und wie in einem Puzzle nach und nach die gewünschte Struktur bilden.
Verdrängte DNA-Fliesen
Zum anderen machte sich das Team die Bindungseigenschaften der DNA-Basen zunutze: Eine beliebige DNA-Sequenz strebt danach, sich mit einer möglichst komplementären Sequenz zusammenzulagern. Je mehr Basen dabei zueinander passen, desto stärker verbinden sich die einzelnen Sequenzen. Diese Tatsache lässt sich dafür nutzen, einzelne DNA-Stränge innerhalb einer Struktur auszutauschen, wie Qian und ihre Kollegen berichten.
So wird sich ein DNA-Strang aus seiner Bindung lösen, sobald ein noch besser passender Bindungspartner ins Spiel kommt. Bei diesem als „strand displacement“ bekannten Phänomen wird der alte Strang von dem neuen verdrängt. Dank dieser Eigenschaft lassen sich einzelne Fliesen auf dem Tic-Tac-Toe-Feld im Nanoformat austauschen und von den Spielern durch Fliesen mit einem „X“ oder einem „O“ ersetzen.
Mehr als ein Spiel
Um ein bestimmtes Tic-Tac-Toe-Feld zu besetzen, müssen die Forscher lediglich wissen, welche spezifische Struktur ihre DNA-Fliese haben muss, um eine Fliese an einer bestimmten Position zu verdrängen. Dass dies tatsächlich funktioniert, zeigte schließlich ein erstes Testspiel, aus dem Spieler „X“ nach sechs Tagen als Sieger hervorging.
Eigentlich geht es den Wissenschaftlern jedoch nicht ums Spiel: Ihr Ziel ist es, ihre Technologie künftig für die Entwicklung von Nano-Maschinen einzusetzen, die modifiziert oder repariert werden können, nachdem sie gebaut wurden. „Wer einen platten Reifen hat, ersetzt ihn und kauft nicht ein komplett neues Auto“, erklärt Qians Kollege Grigory Tikhomirov. „Diese Art der Reparatur war bei Maschinen im Nanoformat bisher nicht möglich. Aber unsere Methode wird es künftig erlauben, einzelne Teile solcher Maschinen zu ersetzen“, schließt er. (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-07805-7)
Quelle: Caltech
