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14.12.2012
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Nano-Origami

Forscher basteln kleinste Bauteile aus DNA

Von
TU Muenchen/ Dietz Lab

DNA ist ein fantastisches Baumaterial und lässt sich so manipulieren, dass sie komplexe Strukturen bildet. Bisher war das extrem zeitraubend, doch deutsche Forscher haben den Prozess nun optimiert und dramatisch beschleunigt. Das ermöglicht vielfältige Anwendungen - von der Medizin bis zur Elektronik.

Was auf den ersten Blick an einen künstlerisch fotografierten Teller voller Suppennudeln erinnern könnte, ist doch etwas ganz anderes. Die einzelnen Teilchen sind nämlich keineswegs so groß wie eine Nudel, sie sind sogar viel, viel feiner als das sprichwörtliche Haar in der Suppe. Auf der Elektronenmikroskop-Aufnahme sind Zahnrädchen zu sehen, die aus DNA bestehen. Ihr Durchmesser liegt bei etwa 25 Nanometern.

DNA ist ein fantastisches Baumaterial - jedenfalls, wenn man im ganz kleinen Rahmen arbeitet. Die Molekülketten, auf denen die Erbgutinformation in Zellen abgespeichert ist, sind zum einen stabil und zum anderen im Labor relativ einfach herzustellen, damit also günstig.

Die Herausforderung ist, die DNA in die richtige Form zu bringen - weil sie sich dabei faltet, spricht man auch von "DNA-Origami". Zwar haben Wissenschaftler schon vor Jahren Pyramiden, Klötzchen oder auch Smileys aus DNA hergestellt, doch bisher war das ein sehr zeitraubender Prozess. Forscher der TU München haben dies nun deutlich optimiert. Die entscheidenden Reaktionsschritte, die vorher mehrere Tage beanspruchten, haben sie auf Minuten reduziert. Wie Jean-Philippe Sobczak und seine Kollegen im Fachmagazin "Science" berichten, liegt die Ausbeute bei diesen Reaktionen zudem bei fast 100 Prozent. Unter solchen Voraussetzungen sei eine Produktion in industriellem Maßstab denkbar, sagt Hendrik Dietz von der TU München.

Möglich wurde das durch eine dreijährige Fleißarbeit, in der die Forscher die ablaufenden Reaktionen genau analysiert haben. Für manches DNA-Konstrukt werden bis zu 200 verschiedene Moleküle gemischt, wobei diese erhitzt und langsam abgekühlt werden. Sobczak und Kollegen haben genau eingegrenzt, in welchem Temperaturbereich die entscheidenden Schritte passieren. Wobei sie selbst überrascht waren, wie eng dieser ist - zum Teil machen nur zwei Grad Celsius den Unterschied, ob die DNA-Stränge noch frei vorliegen oder sich bereits zu einer komplexen Struktur zusammengelagert haben. Dieses Wissen hat die nötige Zeit so verkürzt. Für die aktuelle Studie haben die Wissenschaftler Plättchen, Röhren und Zahnräder aus DNA konstruiert.

Mögliche Anwendung in der Medizin

DNA-Origami ist mehr als eine technische Spielerei, mögliche Anwendungen gibt es viele. Dietz sieht sie unter anderem in der Grundlagenforschung sowie in der Medizin. Kürzlich haben die Münchner zusammen einen DNA-Kanal gebaut, der sich - ähnlich wie ein Virus - durch eine Zellmembran bohren könnte. Denkbar ist zum Beispiel, solche Strukturen einmal zu nutzen, um bestimmte Zellen abzutöten, Krebszellen etwa. Eine andere Idee ist, dass die DNA-Bauteile Medikamente direkt in die Zellen liefern.

Für Grundlagenforscher eröffnet die DNA-Faltung Möglichkeiten, weil sich auf diesem Weg theoretisch Werkzeuge erstellen lassen, mit denen sich einzelne Moleküle manipulieren lassen. Dietz vergleicht das mit einem Motor: "Wenn Ihnen das richtige Werkzeug fehlt, können Sie ihn nicht auseinanderbauen und untersuchen." Mittels DNA-Origami müsste es möglich sein, winzige Zangen, Lineale und ähnliches Werkzeug zu bauen, um etwa Proteine genauer zu studieren.

Sogar in der Elektrotechnik könnten die winzigen Bauteile Einzug halten, wenngleich es da ein Problem zu bedenken gilt: Wird es allzu warm, zerfallen die winzigen Plättchen und Zahnräder einfach in ihre Einzelteile.

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