Nanobauteile aus DNA

  • 06. April 2016

Blümchenketten-Rotaxane als mole­ku­lare Führungs­lager.

Damit eine Maschine Arbeit verrichten kann, benötigt sie gegen­ein­ander beweg­liche Teile. Bei Nano­maschinen ist das nicht anders. Ein Forscher­team aus Bonn hat jetzt ein Nano­bau­element aus DNA-Molekülen konstruiert, das eine lineare Bewegung zweier Einzel­teile gegen­ein­ander er­mög­licht. Es könnte als mole­ku­lares Führungs­lager Ver­wendung finden und Ausgangs­punkt für kom­plexere Systeme sein. DNA ist ein ausge­zeich­netes Bau­material für die Nano-Welt: Sie bildet ein sehr stabiles Grund­gerüst und an jeder belie­bigen Stelle lässt sich einer der Stränge heraus­nehmen und als An­knüpfungs­punkt für weitere Bau­teile ver­wenden. Auch die An­knüpfung funk­tio­neller Gruppen ist kein Problem. Auf diese Weise lassen sich kom­plexe Systeme aus DNA-Molekülen kon­stru­ieren.

Rotaxan

Abb.: Blümchenketten-Rotaxan. (Bild: Wiley-VCH)

Zur Herstellung ihrer beweglichen Bauteile wählte das Team um Michael Famulok von der Uni Bonn das Bau­prinzip der Rotaxane. Dabei handelt es sich um eine Molekül­klasse, bei denen ein oder mehrere mole­kulare Ringe auf eine Achse aufge­fädelt sind, auf der sie sich frei bewegen können, wobei das Ab­fädeln durch Stopper ver­hin­dert wird. Sind die DNA-Ringe selbst fest an ein Ende der Achse ge­bunden, so lässt sich der Ring eines Mole­küls auf die Achse eines anderen auf­fädeln und umge­kehrt. Die Stopper bestehen in diesem Fall aus je zwei mit­ein­ander ver­schränkten DNA-Ringen mit kugel­ähn­licher Gestalt. Nach An­bringen der Stopper an den freien Enden der Achsen er­hielten die Forscher zwei mit­ein­ander verwobene hantel­förmige Struk­turen, die ent­lang der Achsen frei beweg­lich sind, sodass die beiden Hanteln linear gegen­ein­ander ver­schoben werden können. Ein ähn­liches Prinzip des Auf­fädelns kennt man vom Knüpfen von Ketten aus Gänse­blümchen, daher heißen diese speziellen Mole­küle auch Blüm­chen­ketten-Rotaxane.

Famulok und seine Kollegen greifen für das Auf­fädeln auf das Prinzip der spezi­fischen Basen­paarung zurück: Sie lassen in der Mitte der Achsen sowie an einer seit­lichen Stelle des Rings je eine kleine Lücke aus einzel­strängiger DNA. Deren Sequenzen sind komple­mentär zu­ein­ander. Kommen die einzel­strän­gigen Bereiche von Ring und Achse mit­ein­ander in Kontakt, binden sie an­ein­ander und kleben dabei je­weils Ring und Achse zweier Mole­küle wechsel­seitig an­ein­ander. Werden nun kurze DNA-Einzel­stränge zu­ge­geben, die komple­mentär zu diesen Bereichen sind, trennen diese die Klebe­stelle zwischen Achse und Ring, wobei der Ring auf die Achse rutschen kann. So ent­steht ein beweg­liches Bau­teil, das als mole­ku­lares Gleit­lager oder Kraft­über­träger für Nano­maschinen dienen könnte. Weitere nano­skopische Maschinen­teile sollen folgen, die Forscher können sich einen ganzen Satz neu­artiger Bau­steine auf der Basis mecha­nisch ver­bundener doppel­strängiger DNA vor­stellen.

Ang. Ch. / RK

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