Präzise und robuste Nanofabrikation mit Erbgutmolekülen

Bewährungsprobe für DNA-Nanotechnologie

3D Visualisierung von Versuchsdaten
Nanofabrikation mit Erbgutmolekülen - Die nötige Zeitspanne für die Synthese von komplexen DNA-Objekten kann von einer Woche auf einige Minuten verkürzt werden, bei einer Ausbeute von nahezu 100 Prozent. - Bild: Dietz Lab, TUM

14.12.2012,  Forschung

In aktuellen Forschungsarbeiten konnten zwei wichtige Hürden genommen werden, die den Einsatz der DNA-Nanotechnologie bisher auf Laboranwendungen beschränkten. Bei dieser innovativen Technologie werden DNA-Stränge als programmierbarer Baustoff eingesetzt, um nanoskopische Strukturen im Selbstmontageverfahren zu erzeugen. Hier sind vielfältige Einsatzbereiche denkbar. Eine jüngst gezeigte praktische Anwendung sind synthetische Membrankanäle aus DNA. Bis jetzt wurden die Designprozesse jedoch durch mangelnde Belege für die angenommene dreidimensionale Struktur behindert. Die Selbstmontage verlief langsam, die Qualität war oft mangelhaft. Nun konnten Forscher um Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) diese Hürden überwinden.

Forschungsaktivitäten im Feld der DNA-Nanotechnologie wurden bisher erschwert, weil eine grundlegende Hypothese nicht belegt werden konnte. Zwar konnten die Forscher bisher bereits eine Reihe unterschiedlicher Objekte designen und genau definieren, wie sich die einzelnen DNA-Stränge aneinander lagern und dann in die gewünschte dreidimensionale Struktur falten. Auch hatten sie bereits gezeigt, dass die erhaltenen Nanostrukturen relativ genau mit ihren Plänen übereinstimmten. Bisher fehlte jedoch ein Beleg für die exakte Positionierung der einzelnen Elemente im Sub-Nanometerbereich. Dieser Beleg konnte nun erstmals mit einem speziell für diese Analyse entwickelten Testobjekt erbracht werden. Das Ergebnis beruht auf einem verbesserten grundlegenden Verständnis und stellt einen wichtigen technischen Durchbruch dar. Es liefert einen entscheidenden Beleg, dass zentrale Annahmen der DNA-Nanotechnologie auch in der Praxis zutreffen. (Video auf YouTube)

In einer weiteren Versuchsreihe fanden die Wissenschaftler heraus, dass sie die für die Synthese von komplexen DNA-Objekten nötige Zeitspanne von einer Woche auf einige Minuten verkürzen können –  bei einer Ausbeute von nahezu 100 Prozent. Sie zeigten zum ersten Mal, dass sich bei konstanter Temperatur hunderte von DNA-Strängen innerhalb von Minuten gemeinsam in ein Objekt zusammenfalten, und zwar genau so, wie sie es geplant hatten. Trotz wesentlicher chemischer und struktureller Unterschiede ähnelt dieser Prozess  überraschenderweise der Faltung von Proteinen. Dietz erläutert: „Diese Kombination aus schneller Faltung und hoher Ausbeute zeigt uns deutlicher als je zuvor, dass die DNA-Nanotechnologie als Grundlage für eine völlig neue Fertigungstechnik dienen könnte, die sich künftig möglicherweise auch industriell nutzen lässt.“ Es gibt auch unmittelbare Vorteile: „Wir müssen nun nicht mehr eine Woche lang warten, bis wir die Ergebnisse unserer Experimente sehen, da diese Mehrschritt-Syntheseprozesse so viel einfacher und schneller ablaufen.“

3D Visualisierung eines DNA-Testobjekts

Redaktion: Patrick Regan


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