Falt-Roboter aus DNA

17.02.2012

Forscher haben aus DNA einen winzigen Kurier gefaltet, der Frachten in Zellen liefern kann

Desoxyribonukleinsäure ist ein faszinierendes Material. Das Biomolekül dient dem Leben auf der Erde als Träger der Erbinformationen - besitzt aber auch Eigenschaften, die es als Baumaterial für kleinste Konstruktion interessant machen. Die Basenpaare, durch die sich zwei Molekülstränge zu einer Doppelhelix verbinden lassen, stellen nämlich auch eine Art Kleber dar. An der richtigen Stelle verbunden, können zwei DNA-Moleküle wie durch eine Art Reißverschluss verbunden werden.

Diese Art der Gen-Architektur ist unter dem Begriff "DNA-Origami" bekannt geworden. Erfunden wurde die Technik im Grunde von Paul Rothemund vom California Institute of Technology in Pasadena, der sich ab 2004 mit dem Problem befasste, einen Abschnitt eines Viren-Genoms willkürlich zu falten.

Seine Lösung bestand aus 16 Basenpaaren langen DNA-Sequenzen, deren Code zu bestimmten Abschnitten der zu faltenden DNA passte. Jetzt noch ein bisschen umrühren und auf kleiner Flamme köcheln lassen - und das Ergebnis waren künstliche Formen, die unter dem Mikroskop etwa als Smileys erkennbar waren. Wichtigste Arbeitsgrundlage ist dabei ein Computer, der die möglichen Konstellationen berechnet. Der Bau-Prozess selbst braucht dann unter den richtigen Bedingungen kein menschliches Eingreifen mehr - die DNA-Strukturen setzen sich von selbst zusammen.

Die Technik erfreut sich seitdem großer Beliebtheit - ermöglicht sie es doch, mit sehr preisgünstigem Baumaterial und unter normalen Umweltbedingungen, was Temperatur und Luftdruck betrifft, systematisch auf quasi biologische Weise Strukturen zu erzeugen, die mit technischen Verfahren nur schwer darzustellen wären. Im Wissenschaftsmagazin Science zeigen nun Forscher, wie weit sich die Technik treiben lässt. Was den Wissenschaftlern gelungen ist, lässt sich zwar mit dem Terminus Roboter beschreiben - ähnelt aber den bekannten Vorbildern (man denke an Bender aus der TV-Serie Futurama) nicht im geringsten.

Der Nano-Roboter der Forscher (in der Mitte aufgeklappt, oben im geschlossenen Zustand). Bild: Campbell Strong, Shawn Douglas, & Gaël McGill using Molecular Maya & cadnano)

Der Nano-Roboter der Wissenschaftler von der Harvard Medical School in Boston hat die Form eines sechseckigen Fasses und ist etwa 35 mal 35 mal 45 Nanometer groß. Entworfen wurde er am Computer (mit der Software Cadnano), entstanden ist er im Reagenzglas. Als Baumeister dienten 196 kurze Genstränge, die die aus 7308 Basen bestehende, von einer Bakteriophage abgeleitete Gensequenz in die benötigte Form falteten.

Mit Antikörpern auf die Reise geschickt

Ein Roboter, der eine sinnvolle Aufgabe erfüllen soll, braucht aber auch Werkzeuge. Für die Botenfunktion musste eine Art Container geschaffen werden: Zwei Schlösser knüpfen das Transportgut an den Roboter - sie lösen sich auf, wenn das Gefährt an einem durch seine Struktur erkennbaren Ziel angelangt ist. Der Kurier ist in der Lage, mindestens zwei Fremdmoleküle als Ladung zu transportieren.

Zum Test beluden die Forscher ihren Nanoroboter mit zwei unterschiedlichen Ladungen. Zum einen packten sie etwa fünf Nanometer große Gold-Nanopartikel auf die Ladefläche, zum anderen schickten Sie den Kurier mit Fragmenten von Antikörpern auf die Reise.

Das zeigt das Potenzial der Technik: Statt blind Antibiotika über den ganzen Körper zu verteilen, in der Hoffnung, dass wenigstens ein Teil am Ziel ankommen möge, könnte man so das Ziel sehr genau definieren - das erhöht die Wirksamkeit und verringert die Nebenwirkungen. Beweglich waren die Nanoroboter dabei allerdings nicht von sich aus. Man benötigt also immer noch einen geeigneten Mechanismus, etwa das Blut- oder das Lymphsystem, um die Kuriere an Ort und Stelle zu bringen. Erreichen sie ihr Ziel jedoch nicht, bleibt der Körper von den dann schädlichen Wirkstoffen verschont.

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