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Bausteine aus DNS
06.01.06 – Kevin Bullis; Übersetzung: Ben Schwan
Seit Jahren glauben Forscher fest daran, dass sich die Erbgutsubstanz DNS gut zur Herstellung komplexer Nano-Maschinen eignet. Leichte Formen wie Nano-Würfel und einfache Nano-Geräte wie beispielsweise Nano-Pinzetten wurden bereits erstellt. Skeptiker fragen sich allerdings, ob DNS überhaupt stabil genug ist, um komplexere Nano- Maschinen herzustellen.
Forscher an der Universiy of Oxford haben nun erstmals stabile Bausteine aus DNS produziert, die so gestaltet werden können, dass sie sich selbsttätig in komplexere Strukturen verwandeln. Die Blöcke sind in Pyramidenform gestaltet und erwiesen sich bereits als nützlich, um die Kräfte zu messen, die das DNS-Material aushalten kann.
Andrew Turberfield, Oxford-Professor für Physik, der an dem Projekt beteiligt ist, hält die Arbeit für eine der wenigen Beispiele, bei denen mit DNS-Nanostrukturen "tatsächlich etwas getan wird, was zuvor nicht möglich war". Turberfield: "Es sieht nicht nur hübsch aus, es ist auch nützlich."
Die Oxford-Messwerte zeigten, dass DNS ein relativ starkes Material sei, berichtet Chris Dwyer, Professor an der Duke University, der ebenfalls an DNS-Strukturen arbeitet, die sich selbst zusammensetzen. "Dies untermauert die Behauptung, dass sich die Technik auch für komplexere Strukturen eignet."
DNS gilt als sehr attraktives Material, weil die Sequenz der Basen, die im Körper den Gencode abbilden, "programmiert" werden können. Wird dieser Code verändert, lässt sich bestimmen, wie sich die Stränge miteinander kombinieren, wenn sie in eine Lösung gegeben werden.
Die Oxford-Arbeit nutzt vier DNS-Stränge als Basis der Pyramidenstruktur. Jeder Strang bildet eine der dreieckigen Flächen. Die Kanten der Dreiecke besitzen Puzzleteil-artige Sequenzen, die sich mit den anderen Dreiecken verbinden können. Treffen sich all diese Kanten, wird die Pyramide gebildet. Durch die simple Vermischung der richtigen Anzahl verschiedener Stränge bauten die Forscher so bereits Billionen von DNS-Pyramiden – und das innerhalb von Sekunden.
Diese einfachen Strukturen könnten sich beispielsweise als Behältnis eignen, etwa zur Anlieferung von Wirkstoffen im Körper. Durch ihre Festigkeit können sich die Pyramiden aber auch für diverse andere, komplexere Strukturen eignen. Dazu injizierten die Forscher lockere Stränge in die Sequenzen. So sollen sich die Pyramiden untereinander verbinden.
Bislang wurden so allerdings nur Pyramidenpaare gebildet. Die Wissenschaftler glauben jedoch, dass sich noch deutlich mehr einzelne Bausteine verbinden lassen. Je nach DNS-Sequenz und Platzierung der lockeren Stränge in den Pyramiden könnten sich zudem zahlreiche Formen bilden lassen. Letztlich ließe sich die DNS-Struktur auch als Baugerüst für andere Nano-Materialien verwenden.
Turberfield hält die Technik für eine praktikable Methode, das Layout einer Nano-Architektur "mit der Präzision von Atomen" festzulegen. Für sinnvolle Nano-Geräte müsse man aber andere Komponenten anhängen, etwa elektronische Nano-Bauteile. "Die DNS ist das Baugerüst für die vollständige Nano-Maschine." Man könnte beispielsweise Nano-Drähte anhängen, um dreidimensionale Schaltkreise zu erstellen, die dann zu besonders dichtbepackten, leistungsstarken Computern führen könnten. Auch Biomoleküle zur Erkennung von Stoffen oder fluoreszierende Chemikalien für bildgebende Verfahren seien als Anhängsel denkbar.
Der größte Vorteil der Pyramiden dürfte jedoch ihr anfänglich einfacher Aufbau sein. Patrick Doyle, Professor für Chemieingenieurwesen am MIT, der die Dynamik der DNS untersucht, hält das Oxford-Design für "ziemlich elegant". In der Vergangenheit mussten dreidimensionale DNS-Strukturen mit zahlreichen Schritten gebildet werden, was schließlich nur zu wenigen Kopien führte. Die Oxford-Pyramiden werden hingegen durch die einfache Erhitzung und anschließende Abkühlung der DNS-Stränge geschaffen – ein Schritt reicht aus und die Ausbeute ist deutlich höher.
"Das Schöne an diesen Strukturen ist ihre extreme Einfachheit, die große Ausbeute und die schnelle Synthese", meint Turberfield. Wenn man einen Baustein benötige, mit dem man die verschiedensten Dinge machen wolle, habe man eben keine Lust darauf, sich um die Konstruktion eines einzelnen Bausteins zu kümmern: "Bausteine müssen einfach sein. Die schwierigeren Dinge erledigt man dann, wenn man sie später zusammensetzt."
Von Kevin Bullis; Übersetzung: Ben Schwan.
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