Ausbruch aus der Nanowelt
DNA-Moleküle lassen sich zu Strukturen falten, von denen man sich Anwendungen in der Nanoelektronik und der Medizin erhofft. Jetzt nimmt das DNA-Origami erstmals sichtbare Ausmasse an.
Marc-Denis Weitze 8.12.2017, 05:30 Uhr
Dieser aus DNA geformte Dodekaeder ist so gross wie ein Virus. (Bild: Hendrik Dietz / TUM)
Man kennt die DNA vor allem als Träger unserer Erbsubstanz. Weniger bekannt ist, dass sie auch ein vielseitiges Baumaterial ist. Vor zehn Jahren wurden DNA-Moleküle erstmals so programmiert, dass sich die langen Stränge quasi von selbst zu zwei- oder dreidimensionalen Gebilden falten. In Anlehnung an die japanische Papierfaltkunst spricht man auch von DNA-Origami. Die Gebilde sind relativ stabil. Ihre Eigenschaften lassen sich erweitern, indem man Atomgruppen an das DNA-Gerüst anhängt. Das lässt zum Beispiel an medizinische Anwendungen denken. Ein Manko ist, dass sich bisher nur DNA-Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich herstellen liessen. Nun ist es mehreren Arbeitsgruppen gelungen, mit dem DNA-Origami in die Mikrowelt vorzustossen.
Weiterentwickeltes Origami
Zu den Pionieren des DNA-Origami gehört Hendrik Dietz von der TU München. Die Gebilde, die seine Arbeitsgruppe in den letzten Jahren synthetisiert hat, erinnern an Ziegelsteine, Bälle oder Zahnräder. Doch als Spielerei hat Dietz das nie verstanden. Sein Ziel liegt höher: Er will letztlich Proteine und Enzyme nachahmen und nachbauen, die in biologischen Zellen die vielfältigsten Aufgaben erledigen. Da Proteine jedoch sehr komplex in Gestalt und Funktion sind, dient die einfacher zu handhabende DNA als Etappe dahin.
V-förmige DNA-Bauteile werden zu komplexeren Strukturen zusammengesetzt.(Bild: Hendrik Dietz / TUM)
In der Fachzeitschrift «Nature» hat die Gruppe von Dietz nun gezeigt, wie sich auch grössere Origami-Strukturen erzeugen lassen, und zwar durch eine Art Fertigteil-Bauweise, wie sie auch aus der Biologie bekannt ist. So besteht das Hepatitis-B-Virus aus 180 identischen Untereinheiten. Ausgangspunkt sind V-förmige Teile aus DNA, die sich durch Bindungsstellen an ihren Rändern zusammenfügen – je nach V-Winkel ergeben sich kleine Zahnräder mit 10 bis 28 Zähnen. Diese Fertigteile können sich in einer weiteren Phase aufeinanderstapeln. Dazu braucht es weitere Bindungsstellen an den Ober- und Unterseiten der Zahnräder. Auf diese Weise entstehen Röhrchen, die mit Längen von einigen Mikrometern und Durchmessern von mehreren hundert Nanometern ähnlich gross sind wie Stäbchenbakterien. Diese mikrometergrossen Strukturen stellen eine Brücke von der Nano- in die Makrowelt her. Für medizintechnische Anwendungen könnten sie mit Objekten zusammengebracht werden, die mit der Mikrosystemtechnik «top-down» erstellt werden.
Mona Lisa aus DNA
In der gleichen Ausgabe von «Nature» haben Wissenschafter vom California Institute of Technology eine Methode vorgestellt, mit der flächige Gebilde von einem halben Quadratmikrometer entstehen. Auch hier gilt das Prinzip des hierarchischen Aufbaus: Aus DNA entstehen zunächst kleinere Kacheln, die an ihren Kanten spezifische DNA-Sequenzen aufweisen. Diese nehmen Kontakt mit benachbarten Kacheln auf und arrangieren sich mit diesen zu spezifischen Flächen. Indem die DNA an beliebigen Stellen mit weiteren Atomgruppen versehen wird, werden diese Flächen nicht nur einfach bedeckt; sie können wie eine Anzeige aus Pixeln auch Bildinformationen enthalten. Die Forscher erstellten eine Software, mit der auch Nichtspezialisten beliebige «Bilder» auf diese Fläche zaubern können. Als Beispiel generierten sie ein Bild der Mona Lisa mit 8700 Pixeln.
Die kleinste Mona Lisa der Welt, hergestellt aus DNA-Molekülen. (Bild Qian Laboratory)
Senkung der Kosten
Neben der Möglichkeit, nun grössere Gebilde zu erzeugen und diese immer bequemer zu konstruieren, hat Dietz gemeinsam mit Kollegen aus der Bioverfahrenstechnik zeigen können, wie die Kosten deutlich verringert und die Materialmengen gesteigert werden können. Bisher liess sich zwar das Rückgrat-Molekül des DNA-Gerüsts relativ leicht herstellen und vervielfältigen. Die kleinen Klammermoleküle, die dem Rückgrat-Molekül die gewünschte Form aufzwingen, mussten jedoch einzeln hergestellt werden. Das war mühsam, kostspielig und fehleranfällig. Nun ist es Dietz und seinen Mitarbeitern mit biotechnologischen Verfahren gelungen, auch die Klammern in grossen Mengen herzustellen.
Durch die Verbindung von Nano- und Biotechnologie kann DNA-Origami nun in Gramm-Mengen synthetisiert werden. Zudem sinken die Kosten zur Herstellung um den Faktor 1000. Damit ist man möglichen Anwendungen wie Nanomaschinen oder spezifisch funktionalisierten Oberflächen ein ganzes Stück näher gekommen.
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