Rotierende Molekül-Strukturen für Nanomotoren

Mit winzigen rotierenden Geißeln, Flagellen genannt, bewegen sich Bakterien durch Flüssigkeiten. Nach diesem natürlichen Vorbild entwerfen Forschergruppen weltweit neue Konzepte für künstliche Nanomotoren. Deutsche Nanoforscher konstruierten nun ein nur einige millionstel Millimeter großes Rotationsmodul aus DNA-Molekülen, das die Entwicklung von sich drehenden Nanomotoren beschleunigen könnte. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ präsentieren sie die Bauanleitung und schlagen mehrere Antriebsmöglichkeiten vor. Auf dieser Basis könnten in Zukunft Nanomaschinen entwickelt werden, die etwa in der Medizin, bei der chemischen Synthese von neuen Substanzen oder in der Analytik biologischer Proben angewandt werden könnten.

Ansicht eines Motors mit Flügeln.
Plattform für Nanomotoren

„Unser Mechanismus könnte als Plattform dienen, um verschiedene Theorien zur Funktionsweise von makromolekularen Motoren experimentell zu testen“, sagt Philip Ketterer vom Labor für biomolekulare Nanotechnologie an der TU München. Als Baumaterial nutzten Ketterer und Kollegen kurze gerade Stränge aus DNA-Molekülen. In einer Pufferlösung lagerten sich 54 dieser Stränge parallel zu einem nur wenige Dutzend Nanometer großen Zylinder selbstständig zusammen. Um dieses innere Bauteil eines Nanomotors positionierten sich weitere DNA-Stränge und bildeten eine ebenfalls zylindrische Hülle.

Der innere Zylinder konnte sich nun in dem Hüllzylinder in verschiedene Richtungen drehen. Mit hochauflösenden Aufnahmen eines Elektronenmikroskops machten die Forscher die Drehbewegungen sichtbar. Hilfreich war dazu ein fast einen halben Mikrometer langer Flügel – ebenfalls aufgebaut aus DNA-Strängen, den sie zuvor an dem drehbaren inneren Zylinder andockten. Allerdings verfügte der Münchner Prototyp eines Nanomotors noch nicht über einen eigenen Antrieb. Die Drehbewegung erfolgte eher zufällig und wurde durch die Brownsche Molekularbewegung in einer erwärmten Flüssigkeit verursacht.

In weiteren Arbeitsschritten ließe sich das noch passive Nanomotor-Modul mit einem kontrollierbaren Antrieb ausstatten. Ketterer und Kollegen schlagen dafür mehrere Möglichkeiten vor. Punktuell mit einem Laserstrahl aufgeheizt könnte die Brosche Molekularbewegung zu einer bevorzugten, steuerbaren Drehrichtung führen. Komplexer wäre ein Antrieb über Ionenflüsse zwischen äußerem und innerem Zylinder. Auch chemische Reaktionen halten die Forscher für die Kontrolle ihres Motormoduls für anwendbar. Dafür müsste der Aufbau der Zylinder wieder über die Selbstorganisation der DNA-Stränge variiert werden. Sollte einer dieser Schritte gelingen, könnten etwa mit medizinischen Wirkstoffen beladene Nanocontainer konstruiert werden, die sich wie Bakterien bewegen und durch eine Blutbahn schwimmen.