Nanorotor aus DNA

  • 29. January 2018

Elektrische Felder ermöglichen schnelle, kontrol­lierte Bewe­gungen der Erbgut­stränge.

Wissen­schaftler der Tech­nischen Univer­sität München TUM haben eine neue, elek­trische Antriebs­technik für Nano-Roboter entwickelt. Mit dieser lassen sich molekulare Maschinen Hundert­tausendmal schneller bewegen als mit den bisher genutzten bioche­mischen Prozessen. Damit werden Nano-Roboter schnell genug für die Fließ­bandarbeit in mole­kularen Fabriken.

Abb.: Elektrische Felder steuern den rotierenden Nano-Kran aus DNA-Molekülen 100000 Mal schneller als bisherige Methoden.. (Bild: E. Kopperger, TUM)

Abb.: Elektrische Felder steuern den rotierenden Nano-Kran aus DNA-Molekülen 100000 Mal schneller als bisherige Methoden.. (Bild: E. Kopperger, TUM)

Am Monitor des Fluoreszenz­mikroskops verfolgt Friedrich Simmel die Bewegung der Nano-Maschinen. Ein Mausklick genügt, um die Licht­punkte in eine andere Richtung wandern zu lassen. „Durch Anlegen elek­trischer Felder können wir die Arme beliebig in der Ebene drehen,“ erklärt der Inhaber des Lehr­stuhls für Physik Synthe­tischer Biolo­gischer Systeme. Seinem Team ist es erstmals gelungen Nano-Roboter elek­trisch zu steuern und auch gleich einen Rekord aufzu­stellen: Die neue Antriebs­technik ist 100000 Mal schneller ist als alle bis­herigen Methoden.

Weltweit arbeiten Wissen­schaftler an neuen Techno­logien für die Nano-Fabriken der Zukunft. In denen sollen eines Tages wie am Fließband bioche­mische Proben analysiert oder medi­zinische Wirkstoffe herge­stellt werden. Die dafür notwen­digen Miniatur-Maschinen lassen sich bereits kosten­günstig mit Hilfe der DNA-Origami-Technik herstellen. Dass diese mole­kularen Maschinen nicht längst im großen Maßstab genutzt werden, liegt daran, dass sie bisher nur sehr langsam arbeiten. Durch Zugabe von Enzymen, DNA-Strängen oder mit Hilfe von Licht werden die Bausteine aktiviert und können bestimmte Aufgaben ausführen, beispiels­weise Moleküle aufnehmen und trans­portieren.

Für die Ausführung solcher Aktionen benötigen herkömm­liche Nano-Roboter aller­dings Minuten, manchmal auch Stunden. Eine effi­ziente mole­kulare Fließband­arbeit lässt sich mit diesen Methoden kaum realisieren. „Um nano­technische Produktions­linien aufzu­bauen, braucht man eine andere Antriebs­technik. Unsere Idee war es, auf das bioche­mische Schalten der Nano-Maschinen völlig zu verzichten und statt­dessen die Wechsel­wirkung der DNA-Strukturen mit elek­trischen Feldern zu nutzen“, erklärt Simmel

Das Prinzip hinter der neuen Antriebs­technik ist einfach: DNA-Moleküle enthalten negative Ladungen. Durch Anlegen elek­trischer Felder lassen sich die Biomo­leküle daher bewegen. Theo­retisch ist es damit möglich, Nano-Roboter aus DNA mit Hilfe von Strom­impulsen zu steuern. Um heraus­zufinden, ob und wie schnell sich die Roboter­arme parallel zu einem elek­trischen Feld ausrichten, fixierten die Forscher Nano-Roboter­arme auf einem Glas­träger und plat­zierten diesen in einen speziell dafür ent­wickelten Proben­halter mit elek­trischen Kontakten.

Jede einzelne der von Enzo Kopperger gefer­tigten Miniatur-Maschinen besteht aus einer starren Grundplatte von 55 mal 55 Nanometern, auf der sich, verbunden durch ein flexibles Gelenk aus unge­paarten Basen, ein 400 Nanometer langer Arm befindet. Der Aufbau sorgt dafür, dass sich der Arm in der Hori­zontalen beliebig drehen kann. In Koopera­tion mit Fluores­zenz-Spezia­listen um Don Lamb von der Ludwig-Maxi­milians-Univer­sität LMU markierten die Forscher die Spitzen der Roboter­arme mit Farbstoff­molekülen. Deren Bewegung verfolgten sie mit einem Fluoreszenz­mikroskop. Computer­gesteuert änderten sie die Richtung des elek­trischen Feldes. Auf diese Weise konnten die Forscher die Orien­tierung der Arme beliebig einstellen und Bewegungs­vorgänge vorge­geben.

„Das Experiment hat gezeigt, dass sich moleku­lare Maschinen elektrisch bewegen und folglich auch antreiben lassen“, sagt Simmel. „Dank der elek­tronischen Steuerung können wir Bewegungen im Milli­sekunden-Takt ausführen und sind damit 100.000 Mal schneller als bisherige bioche­mische Antriebe.“ Die neue Steuerungs­technik eignet sich nicht nur, um Farbstoffe oder Nanopartikel hin- und herzu­bewegen. Die Arme der Miniatur-Roboter können auch Kräfte auf Moleküle ausüben. Diese Wechsel­wirkung lässt sich beispiels­weise für die Diagnostik und für die Pharma­entwicklung nutzen, betont Simmel: „Nano-Roboter sind klein und preiswert. Millionen von ihnen könnten gleich­zeitig arbeiten, um in einer Probe nach bestimmten Stoffen zu suchen oder um Schritt für Schritt – wie am Fließband – kompli­zierte Moleküle zu synthe­tisieren.“

TUM / JOL

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