DNA als Baumeister

15.10.2011

Was in der Biologie seit Jahrmillionen funktioniert, klappt nun auch in der Technik: DNA-Stränge als Blaupause zur Konstruktion kleinster Strukturen zu benutzen

Dass sich die Eigenschaften eines Materials bei sinkender Strukturgröße überraschend und manchmal grundlegend ändern, ist eine der faszinierenden Erkenntnisse der Wissenschaft - und die Grundlage für den Boom der Nanotechnologie, die sich längst auch in Alltagsprodukten wiederfindet. Die reproduzierbare Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich ist allerdings nach wie vor eine Herausforderung. Glücklicherweise ist das Problem längst gelöst: Von der Natur nämlich, die sich ihr eigenes Arsenal an Nano-Produktionsmitteln geschaffen hat.

Diese Mittel für menschliche Zwecke zu nutzen, liegt nahe - und insbesondere die DNA in ihrer Rolle als Blaupause für die Erzeugung von Nanostrukturen (in der Biologie: Proteinen) steht hier im Mittelpunkt des Interesses. Besonders spannend ist dabei ein Aspekt des Prozesses: Die Selbst-Vervielfachung von Strukturen.

Es wäre doch eine schöne Aussicht, nur mehr einen Prototyp konstruieren zu müssen, und die endlose Vervielfältigung einer Maschine überlassen zu können (Fragen der Kontrolle dieses Prozesses lassen wir hier bewusst aus - damit können sich Science-Fiction-Autoren befassen). Im Wissenschaftsmagazin Nature berichten nun Forscher der New York University von eigenen Fortschritten auf diesem Gebiet.

Muster mit DNA-"Fliesen"

Die Chemiker haben eine spezielle Molekülform konstruiert, die sie BTX (für "Bent Triple Crossover") nennen. Sie besteht aus vier DNA-Einzelsträngen aus je sieben Basenpaaren. Ihr Vorteil ist, dass sie auf definierte Weise mit anderen BTX-Mustern interagiert, und zwar so, dass ihr Informationsgehalt erhalten bleibt.

Selbstvervielfältigung von DNA-Mustern. DNA-Abschnitte, die eine binäre Sequenz kodieren, vererben dieses Muster an eine nachfolgende Generation. (Bild: Corinna Maass)

Anders als bei simpler DNA stehen den Forschern nicht nur vier "Buchstaben" zur Verfügung, sondern 4 hoch 28 Informations-Grundeinheiten. Jeweils sieben dieser DNA-"Fliesen" haben die Forscher zu einem komplexeren Muster verknüpft. Sie zeigen experimentell, dass sich das so erzeugte Muster im Zuge der Selbst-Vervielfältigung auch auf Kind- und Enkel-Strukturen übertragen lässt.

DNA-Stränge als eine Art kodiertes Schloss

Einen anderen Trick beschreiben Forscher in Science: Chemikern der Northwestern University in Evanston ist es gelungen, mit Hilfe der Erbsubstanz Nanopartikel zu ganz unterschiedlichen Arten von Gittern anzuordnen. Sie nutzen die DNA-Stränge dazu als eine Art kodiertes Schloss. Die Nanopartikel werden mit Abschnitten versehen, deren Enden "klebrig" sind: Sie verbinden sich mit ihren Gegenstücken an anderen Partikeln.

Dieser Prozess ist selektiv, so dass die Auswahl und Anordnung der Klebeverbindungen festlegt, wie die spätere Gitterstruktur ausfällt. Die Forscher beschreiben in ihrem Paper dazu ein recht simples Regelwerk, das sich als Anleitung lesen lässt: Um diese oder jene Endstruktur mit bestimmten Parametern zu erreichen, wähle man diese oder jene DNA-Anordnung. Regel Nummer 1 heißt zum Beispiel:

Wenn jeder der DNA-Nanopartikel in einem System denselben hydrodynamischen Radius aufweist, dann werden alle Nanopartikel im thermodynamischen Produkt versuchen, die Anzahl ihrer Nachbarn zu maximieren, zu denen sich eine DNA-Verbindung aufbauen lässt.

Derzeit sind die so erreichbaren Strukturgrößen allerdings noch begrenzt - maximal einige Tausend Nanopartikel lassen sich so verbinden. Ob das an einer physikalischen oder einer technologischen Grenze liegt, müssen die Forscher erst noch herausfinden. Bisher haben die Wissenschaftler auch nur Systeme mit einer einzigen Sorte DNA-Linker getestet - mit verschiedenen solcher Klebeverbindungen müssten sich noch vielfältigere Strukturen erzeugen lassen.

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