Nano-Figuren wie aus dem 3D-Drucker

Figuren aus Stäbchen. Quelle: Erik Benson, Björn Högberg.

DNA-Origami ist eine Technik, die ich hier vor einiger Zeit bereits kurz vorgestellt hatte. Vor einigen Wochen nun berichtete die FAZ über diese Methode, räumliche Strukturen aus dem Erbmaterial zu „falten“ – denn Forschern aus Schweden gelang es zum ersten Mal, hochkomplexe geometrische Körper daraus herzustellen.

Die Idee des „Baukastens aus Erbmaterial“ basiert darauf, dass die berühmte Doppelhelix grundsätzlich stäbchenförmig ist. Die Erbinformation, die normalerweise in der DNA enthalten ist, beeinflusst gleichzeitig auch die Form der Helix. Das Team von Björn Högberg am Karolinska Insitutet in Stockholm nutzte das aus, indem sie zuerst einzelne lange DNA-Stränge „Schablone“ für die Form verwendeten. Gibt man dann als „Gegenstücke“ zu dem Schablonen-Strang die passenden kürzeren Stränge, bilden sich die Doppelhelices aus. Während das passiert, verknüpfen sich die Stränge wie bei einem Fischernetz und bilden so komplexere Strukturen. Dafür sorgt die in der DNA codierte Information.

Um für jeden Körper das beste „Knüpfmuster“ zu finden, benutzen die Forscher verschiedene Computerprogramme. Die gewünschte Form wird zuerst in Dreieckflächen zerlegt. Dann wird ein einzelner DNA-Strang errechnet, der alle Kanten des Körpers umfasst. Der darf jede Kantenlinie nur einmal durchlaufen – nach dem gleichen Prinzip das man auch vom Zeichenrätsel mit dem „Haus vom Nikolaus“ kennt. Ist ein passender Weg gefunden den der lange Strang nehmen kann, werden dann die kürzeren Gegenstück-Stränge errechnet, die die Form stabil halten.

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Anleitung zum Falten: Der Hase wird erst in Dreiecke zerlegt, und die Kantenlinien dann in ein Muster aus DNA umgerechnet. Bild: Tim Liedl, Nature 2015, (523), 412.

Die eigentliche Herstellung der DNA-Stränge erfolgt üblicherweise automatisiert. Alles was die Wissenschaftler dann noch tun mussten war, alle einzelnen Stränge in einer Salzlösung zu vermischen. Da sich die Doppelhelix von alleine formt, bildeten sich auch die gewünschten Strukturen durch Selbstorganisation. Mit diesem Konzept, das so ähnlich funktioniert wie ein 3D-Drucker, stellten die Biochemiker unter anderem Nano-Bälle, -Stäbe und -Spiralen her. Aber auch Flaschen, Männchen und kleine Hoppelhasen konnten sie auf diese Weise „falten“. Diese Arbeit ist ohne Zweifel ein großer Durchbruch auf dem Gebiet, da man später beabsichtigt, aus solchen Konstrukten Nano-Maschinen zu bauen. DNA-Zahnräder und Antriebswellen sind also nur mehrere Mausklicks entfernt.

Titelbild: Tim Liedl, Nature 2015, (523), 412

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