Die gezielte Manipulation von Strukturen im Nanometerbereich, darunter besonders der DNA, ist eine Grundlage der modernen Biotechnologie. Jetzt haben Biophysiker die Kräfte genauer bestimmt, die diesen Molekülen ihre spezifischen Formen verleihen. Diese jetzt in „Nanoletters“ online veröffentlichte Kenntnis ist eine wichtige Hilfe bei der Konstruktion und Nutzung von Nanobausteinen.
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Die DNA weist einzigartige chemische Eigenschaften auf, die es ihr ermöglichen, sich selbst zusammenzubauen. Im Organismus kommt das Molekül in linearen und zirkulären
Varianten vor, deren spezifische Form die Folge eines Wechselspiels mehrerer physikalischer Kräfte ist. In der Nanotechnologie wird das Molekül – anders als im Körper – nicht als Träger von Erbinformation genutzt, sondern als Baustein für eine Vielzahl von Strukturen. Ähnliches gilt für andere zelluläre Moleküle. Um die gewünschten Nanostrukturen zu bilden, müssen jedoch die Grundbausteine der Strukturen gezielt manipuliert werden können. Dies wiederum ist nur möglich, wenn die Kräfte genau bekannt sind, die Nanobausteinen wie dem DNA-Molekül ihre spezifischen Formen verleihen.
Kräftespiel entscheidend für Form
Welche Form sich letztlich ausbildet, wird durch ein Wechselspiel physikalischer Kräfte bestimmt. So begünstigt die entropische Kraft eine „geknäulte“, insgesamt stark verkrümmte Struktur, der die Biegesteifigkeit entgegenwirkt. Eine wichtige Rolle spielt auch die sogenannte sterische Verdrängung der einzelnen Polymersegmente. Forscher der Universität München um den Biophysiker Professor Erwin Frey haben nun in Zusammenarbeit mit Professor Giovanni Dietler vom „Laboratory of the Physics of Living Matter“ (EPFL) in Lausanne die Größe und Form zweidimensionaler halbflexibler DNA-Polymerringe untersucht.
„Fraglich war nun, wie viel die einzelnen, auf molekularen Eigenschaften beruhenden Kräfte beitragen“, berichtet Frey. „Das ist wichtig, weil die effektive Form der Bausteine daraus resultiert.“ Experimentell variierten die Forscher unter anderem die Länge der DNA- Stränge, um den Einfluss von elastischen und entropischen Kräften zu verändern. Durch theoretische Überlegungen wurde der Beitrag der sterischen Verdrängung untersucht.
Quantitative Beschreibung gelungen
„Es hat sich unter anderem gezeigt, dass bei geringer Steifigkeit die dominierenden entropischen Kräfte kleine zigarrenförmige Knäuel entstehen lassen“, so Frey. „Eine große Steifigkeit formt das Polymer dagegen als ausgedehnte Ellipse. Insgesamt ist uns eine quantitative Beschreibung von DNA-Ringen gelungen, sodass nun molekulare Eigenschaften wie die Steifigkeit in nanoskopische Größen wie Form und Ausdehnung des Polymerringes übersetzt werden können – was die technologische Entwicklung von Nanostrukturen begünstigen sollte.“
(Universität München, 18.03.2010 – NPO)
