Aus der Erbsubstanz DNA haben Forscher zwei nur 18 Nanometer große Ringe erzeugt, die wie zwei Kettenglieder ineinander greifen. Solche so genannten Catenane sind im Gegensatz zu anderen bereits realisierten DNA-Nanoarchitekturen keine starren Gebilde, sondern abhängig von den Umgebungsbedingungen frei drehbar. Dadurch könnten sie sich als Komponenten von molekularen Maschinen oder eines molekularen Motors eignen.
Künstliche Strukturen aus DNA zu bauen, ist das Ziel der DNA- Nanotechnologie. Diese neue Disziplin an der Schnittstelle von Biologie, Physik, Chemie und Materialwissenschaften macht sich die Selbstorganisationsfähigkeit der natürlichen DNA-Stränge zunutze. So hat man mittlerweile wenige
Nanometer große Smileys oder kleine Kisten aus DNA in einem Tropfen Wasser aufgebaut. Alexander Heckel und seinem Doktoranden Thorsten Schmidt vom „Excellenzcluster Makromolekulare Komplexe“ an der Universität Frankfurt am Main ist nun ein weiterer Durchbruch gelungen: Sie erzeugten zwei ineinander verschlungene Ringe oder Kettenglieder aus DNA.
Spezifische Bindung der Basenpaare als Grundlage
Bei der Herstellung dieser auch als Catenan bezeichneten DNA-Nanoarchitekturen, abgeleitet von lateinisch „catena“ – Kette, machen sich die Wissenschaftler die Paarungsregeln der vier DNA-Nukleobasen zunutze, nach denen auch zwei natürliche DNA-Stränge zusammenfinden. Ein Adenin auf einem Strang bindet immer mit einem Thymin auf dem Gegenstrang und Cytosin ist komplementär zu Guanin. Die Kunst besteht darin, die Sequenzen der beteiligten DNA Stränge so zu entwerfen, dass sich die gewünschte Struktur ohne direktes Eingreifen des Experimentators von selbst aufbaut. Sind nur bestimmte Abschnitte der verwendeten Stränge zueinander komplementär, lassen sich Verzweigungen und Kreuzungen bauen.
Ineinander verknüpfte Ringe
Schmidt und Heckel stellten für die Catenane zunächst zwei C-förmige DNA Fragmente her. Mithilfe spezieller Moleküle, die wie sequenzspezifischer Kleber für die Doppelhelix wirken, ordneten sie die Cytosine so an, dass sie zwei Kreuzungsstellen bildeten, wobei ihre offenen Enden voneinander wegzeigen. Durch die Zugabe von zwei weiteren Strängen, welche mit den noch offenen Enden der beiden Ringfragmente schließen, entstand das fertige Catenan. Schmidt widmete die Veröffentlichung seiner Frau Diana Gonçalves Schmidt gewidmet, die diese Leistung auch wissenschaftlich zu schätzen weiß: Sie arbeitete ebenfalls in der Arbeitsgruppe von Heckel.
Da sie viel kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts, kann man die Ringe mit einem herkömmlichen Mikroskop nicht sehen. „Man müsste etwa 4.000 solcher Ringe aneinander reihen, um auch nur den Durchmesser eines menschlichen Haares zu erreichen“, erklärt Schmidt. Daher bildete er die Catenane mit einem Rasterkraftmikroskop ab, welches die auf eine Oberfläche
aufgebrachten Ringe mit einer extrem feinen Spitze abtastet.
Zukünftige Bauteile der Nanowelt?
Wissenschaftlich gesehen markiert die Struktur einen wichtigen Fortschritt in der DNA-Nanotechnologie, denn die beiden Ringe des Catenans sind im Gegensatz zu der Mehrzahl der bereits realisierten DNA Nanoarchitekturen keine starren Gebilde, sondern – abhängig von den Umgebungsbedingungen – frei drehbar. Dadurch eignen sie sich als Komponenten von molekularen Maschinen oder eines molekularen Motors.
„Bis künstliche Strukturen aus DNA wie das Catenan in Alltagsgütern zur Anwendung kommen, ist es noch ein weiter Weg“, urteilt Heckel. „Aber Strukturen aus DNA könnten in naher Zukunft dazu dienen, Proteine oder andere Moleküle, die zu klein sind für eine direkte Manipulation, durch Selbstorganisation anzuordnen und zu studieren.“ Damit könnten DNA Nanoarchitekturen zu vielseitig einsetzbaren Werkzeugen für die schwer zugängliche Nanometerwelt werden.
(Goethe-Universität Frankfurt am Main, 11.04.2011 – NPO)
