Ein internationales Forscherteam hat neue Werkzeuge entwickelt, um aus kurzen DNA-Molekülen Strukturen mit komplexen Windungen und Krümmungen zu formen. In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins „Science“ berichten sie über eine Reihe von Experimenten in der sie DNA Origami-ähnlich in dreidimensionale Objekte falten konnten, inklusive einer kugelförmigen Gerüstkonstruktion mit nur 50 Nanometer Durchmesser.
„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, Professor an der Technischen Universität München (TUM). Er arbeitete an diesen Experimenten zusammen mit Professor 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.
Programmierbare Selbstorganisation
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 auch die entstehenden Formen präzise und quantitativ kontrollieren und erreichen extrem enge Krümmungsradien von sechs 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.
Nanogebilde in Hülle und Fülle
In ihrer Studie 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 – zehn Nanometer große chemische Fabriken wie ein Enzym.“
Die Forscher erwarten einen großen Nutzen, wenn sie nur miniaturisierte Maschinen im Nanobereich bauen könnten, aus Materialien die zuverlässig in unseren Körperzellen arbeiten – aus Biomolekülen wie DNA.
(idw – Technische Universität München, 10.08.2009 – DLO)
