Nano-Hase aus Erbgutmolekülen

3D-Drucker gewinnen zunehmend an Bedeutung, um Ersatzteile, Architekturmodelle oder technische Prototypen schnell und günstig zu fertigen. Sind die bisher gedruckten Objekte noch von greifbarer Größe, arbeitet eine Forschergruppe bereits an den Grundlagen für 3D-Drucker von winzigen Nanostrukturen. In der Fachzeitschrift „Nature“ berichten sie von ersten erfolgreichen Experimenten, mit denen sie komplexe Nanokörper in der Form von Spiralen, Flaschen und sogar Hasen erschaffen hatten. Als Baumaterial dienten ihnen dabei Erbgutmoleküle, die sich selbstständig zu den Nanostrukturen zusammenfalten konnten.

Bunte Stränge, die ineinander verdreht sind und grob die Form eines Hasen annehmen.
Origami-Hasenmodell

„Unser Designprozess ist so einfach wie bei einem 3D-Drucker“, sagt Björn Högberg vom Karolinska Institutet in Stockholm. Mit seinen Kollegen berechnete er die strukturellen Änderungen eines langen DNA-Strangs, damit sich dieser selbstständig zu dem gewünschten dreidimensionalen Körper zusammenfaltet. Diese weit entwickelte Technik des DNA-Origamis nutzte dabei die selbstständige Verknüpfung von molekularen DNA-Gruppen aus, die auch für die Bildung der Doppelhelix-Stränge in unserem Erbgut verantwortlich ist.

Um aus einem länglichen Molekülstrang mit bis zu 8 000 Bausteinen, den so genannten Nukleotiden, ein beliebiges 3D-Modell zu erhalten, sind vorher aufwendige Berechnungen notwendig. Högberg und Kollegen entwickelten dazu einen eigenen Computeralgorithmus. Dieser zerlegte die Oberfläche einer Wunschstruktur – wie etwa den Hasen – in ein Netzwerk aus Dreiecken. Der DNA-Strang durfte dabei nur ein einziges Mal entlang jeder Dreieckskante geführt werden. Erfüllte das Computermodell diese Bedingung, konnten in einem separaten Prozess entsprechende Moleküle als Verknüpfungsanker an den Erbgutstrang angedockt werden. Eingefüllt in eine Flüssigkeit faltete sich dieser Strang entsprechend der Verknüpfungsanker zum dreidimensionalen Nanokörper.

Links schematische Form eines Hasen aus Dreiecken, zwei detailliertere Zwischenstufen, rechts dann die unscharfe Aufnahme des zusammengefalteten Hasenmodells.
Von der Vorlage bis zum gefalteten Hasenmodell

Unter einem Elektronenmikroskop begutachteten die Forscher das Ergebnis dieser Selbstorganisation. Alle Nanokörper mit Ausmaßen von bis zu 50 millionstel Millimetern hatten sich wie zuvor berechnet gebildet. Da es sich um Hohlkörper handelte, waren lediglich einige Strukturen nicht allzu stabil und zeigten dellenartige Verformungen. Doch dieses Problem hofft das Team um Högberg mit geschickt ergänzten Querstreben lösen zu können.

„Dieser Ansatz ermöglicht prinzipiell Design und Fertigung von jedweder Struktur, die mit einem Polygonnetz beschrieben werden kann“, beurteilt Tim Liedl, Physiker an der Ludwig-Maximilians-Universität in München die Studie. Um möglichst viele Nachahmer zu motivieren, stellt Högberg seine Design-Software – vHelix genannt – frei zur Verfügung. So könnte auf der Basis eines automatisierten DNA-Origamis eine Technologie entwickelt werden, um Nanostrukturen ähnlich schnell und günstig zu fertigen wie heutige 3D-Drucker für die makroskopische Welt. Denkbare Produkte wären etwa Wirkstofftransporter in der Medizin, neuartige Sensoren, photonische Kristalle oder gar winzige Nanomaschinen.