Maschinen aus DNA

Die Forschergruppe um Dorothy Erie von der Universität von North Carolina in Chapell Hill hat komplexe Netzwerke und gerüstartige Strukturen mit Hilfe von langen DNA-Abschnitten hergestellt. Eine genaue Kontrolle über die Basensequenz einsträngiger DNA-Abschnitte ermöglichte die genaue Positionierung von Knotenpunkten in den Netzwerken ? dort binden zwei Stränge mittels komplementärer Paarbindung aneinander. Die auf diese Weise hergestellten Strukturen weisen eine Dicke von nur 2 Nanometern und eine Länge zwischen 5 und 200 Nanometern auf. Darüber berichten die Forscher in dem Fachblatt Nano Letters (Band 2, Seite 269).

Jianwei Li und Weihong Tan von der Universität von Florida in Gainesville gehen in ihrer ebenfalls in Nano Letters (Band 2 Seite 315) veröffentlichten Arbeit noch einen Schritt weiter. Sie haben einen molekularen Motor aus DNA hergestellt, der sich wie ein sogenannter “Inchworm”-Motor streckt und ausdehnt. Motoren dieser Art sind in lebenden biologischen Zellen tätig und ermöglichen unter anderem die Fortbewegung von Bakterien, die Kontraktion von Muskelzellen sowie den Transport biochemischer Stoffe im Zellinnern.

Der Motor besteht im wesentlichen aus drei DNA-Strängen. Strang Nummer 1 hat eine Sequenz, die eine Paarbindung mit sich selbst auslöst ? der Strang knäult sich in Form einer Schleife zusammen. Strang Nummer 2 weist eine zu dem ersten Strang komplementäre Sequenz auf und zieht diesen auseinander, um mittels komplementärer Paarbindung eine Doppelhelix zu bilden. Ein dritter DNA-Strang weist nun eine Sequenz auf, die stärker zu Strang 2 bindet, als dieser zu Strang 1. Dies ermöglicht eine Trennung der Stränge 1 und 2, so dass sich Strang 1 wieder zusammenzieht. Nun kann der Vorgang von vorne beginnen.

Das auf diese Weise erzielte periodische Strecken und Zusammenziehen von Strang 1 könnte zur Bewegung anderer molekularer Strukturen benutzt werden ? die DNA-Anordnung würde damit einen molekularen Motor darstellen. Die bei der Operation des Motors auftretenden Kräfte sind um ein Zehnfaches stärker als die von natürlich vorkommenden biologischen Motoren verursachten Kraftwirkungen. In welcher Weise derartige Motoren allerdings zur tatsächlichen Bewegung von Nanostrukturen eingesetzt werden können, ist noch nicht geklärt. Die ständigen Fortschritte in der Herstellung und dem kontrollierten Aufbau von auf DNA basierenden Nanostrukturen versprechen mit Sicherheit eine spannende Zukunft.