Wissenschaftlern an der TU München gelingt der Durchbruch. Erstmals wurde ein Nanomotor aus DNA gebaut, der mechanische Arbeit verrichten kann. Auch Energie kann damit gespeichert werden. Damit ist der Weg für Anwendungen in der Medizin und anderen Bereichen geebnet.
Nanostrukturen aus DNA-Strängen
DNA-Bausteine zur Synthese von Nanopartikeln zu nutzen, ist keine Neuheit. Bereits 2006 wurde die Methode am California Institute of Technology in einem Artikel vorgestellt. Jetzt hat aber ein Team um Physiker und Professor Hendrik Dietz an der TU München die DNA-Origami-Technik weiterentwickelt. Dabei spielen die natürlichen molekularen Prozesse von lebenden Zellen eine Rolle. Sie produzieren Energie und setzen Bewegung in Gang. Solche Mechanismen lassen sich auch außerhalb der Zelle realisieren.
Die Forscher haben es nun geschafft, einen Nanomotor aus DNA Strängen zu bauen. Er ist in der Lage, durch das Verrichten von mechanischer Arbeit für eine kurze Weile Energie zu speichern. Die Ergebnisse wurden in der wissenschaftlichen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Dietz’ Team hat die DNA-Stränge in Bakterien gezüchtet. Danach haben die Forscher die Proben in eine Lösung mit kurzen DNA-Streifen getaucht, worauf sie sich synthetisierten. Damit sei es möglich, dass die Stränge eine gewünschte Struktur bilden. Bei einer geeigneten Auswahl von Teilen würden sie sich wie von allein zusammensetzen.
Molekulare brownsche Bewegung als Antrieb
Als Grundlage für den DNA-Motor dient die sogenannte brownsche Bewegung. Darunter versteht man die zufällige Bewegung von Teilchen wie Molekülen, die durch Zusammenstöße mit anderen Teilchen entsteht. Dabei wird kinetische Energie freigesetzt. Mit der brownschen Molekularbewegung konnten die Wissenschaftler einen Ratscheneffekt erzeugen. Hierzu kann man sich ein Uhrwerk vorstellen. Eine Sperrklinke verhindert die Rückwärtsbewegung des Zahnrads.
Auf ähnliche Weise konstruierten die Forscher dreieckige Plattformen aus DNA, die sie mit Unebenheiten bestückt haben. So sollten Drehungen nur in eine Richtung möglich sein. An jede Plattform wurde zudem ein Stab befestigt und zusätzlich DNA-Arme beigefügt. Die Basis haben die Wissenschaftler in Lösung getaucht und an einer Glasplatte montiert. Durch die brownsche Bewegung gelang es den Armen, sich um den Stab zu drehen.
DNA-Nanomotor leistet mechanische Arbeit
Um den Ablauf der Drehungen besser kontrollieren zu können, erzeugte Dietz’ Gruppe einen elektrischen Wechselstrom mit zwei in Lösung getauchten Elektroden. Durch die sich verändernden Spannungen schafften die Forscher, Drehungen in eine bestimmte Richtung zu erzwingen. Dies bezeichnet man auch als blinkende Ratsche.
„Es ist wie beim Schwimmen: Man bewegt sich vorwärts und verrichtet dabei eine Menge Arbeit, die sich im Wasser verflüchtigt“, beschreibt Dietz in einem Spektrum Artikel.
Aufgrund dieser Konstruktion kann man von einem DNA-Nanomotor sprechen. Denn er ist in der Lage, elektrische Energie in mechanische zu wandeln. Auch Drehzahl und Geschwindigkeit konnten beeinflusst werden. Das Forscherteam demonstrierte, dass der Motor die Fähigkeit besitzt, Energie zu speichern oder mechanische Komponenten zu bedienen. Sie montierten eine zusätzliche DNA Sequenz an der Vorrichtung, die ähnlich einer Feder aufgerollt wurde.
Dietz hofft, dass damit in Zukunft DNA-Nanofabriken gebaut werden können. Diese könnten für die chemische Synthese oder Medikamente genutzt werden. „Natürlich habe ich mich sehr über die Veröffentlichung unserer Arbeit in Nature gefreut“, so Hendrik Dietz weiter. „Es ist für mich aber vor allem Ansporn, direkt über das nächste Projekt nachzudenken.“
Artikel von Anne Springwald, Bild von LaCasadeGoethe auf Pixabay