Verschiedene Felder mit geometrischen Gebilden aus DNA-Strängen

Mikrostrukturen durch Selbstorganisation

Winzige Strukturen für elektronische Bauteile oder Sensoren werden heute mit lithografischen Verfahren etwa aus Silizium herausgeschnitten. Statt kleine Strukturen aus großen Rohlingen zu formen, könnten sie auch gezielt aus einzelnen Molekülen zusammengesetzt werden. Durch eine ausgeklügelte Selbstorganisation schaffen künstliche Erbgutmoleküle das sogar völlig allein. Mit dieser Methode gelang es Forschern nun erstmals, filigrane Strukturen aus Tausenden von Molekülen zu fertigen. Über ihre Ergebnisse, die den Weg zu einer technischen Anwendung des sogenannten DNA-Origamis ebnen könnten, berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature“.

Grundlage des DNA-Origami bilden die vier Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin. Über spezifische Bindungen zwischen Adenin und Thymin oder Guanin und Cytosin formt sich beispielweise die komplexe Doppelhelixstruktur im Erbgut von Lebewesen. Einige Hundert dieser DNA-Stränge gezielt miteinander zu verknüpfen, gelang bereits mehreren Forschergruppen. Peng Yin von der Harvard University in Boston und seine Kollegen schufen nun erstmals fast Mikrometer große Strukturen aus Zehntausenden von Bauteilen.

Dazu entwickelten sie eine Art Baukastensystem: In einem ersten Schritt verwendeten die Forscher 52 Nukleotide, die Bausteine der DNA, die jeweils aus einer Nukleinbase und einem Zucker- und Phosphatanteil bestehen. Diese Nukleotide lagerten sich im Experiment von Yin und seinem Team zu winzigen, nahezu quaderförmigen Bauteilen zusammen. Jeder Quader verfügte über mehrere Andockstellen für weitere Bindungen von Nukleinbasen. Mit einer Lösung vermischt, konnten sich über diese Verknüpfungspunkte im zweiten Schritt viele Tausend Quader selbstständig zu komplexen Nanostrukturen verbinden.

Ein eigens entwickeltes Computerprogramm namens Nanobrick berechnete die Menge und Zusammensetzung der dazu nötigen künstlichen DNA-Stränge. So gelang es Yin und seinen Kollegen einzelne Buchstaben, einen kleinen Bären und einen Hasen mit den DNA-Bausteinen zu fertigen. Nachdem sich die Strukturen selbstständig zusammengebaut hatten, ließen sie sich mit einem Elektronenmikroskop sichtbar machen. Damit bewiesen die Forscher, dass DNA-Origami für die Synthese von größeren, komplexen Nanostrukturen aus Zehntausenden von Bauteilen geeignet ist. Dies ist eine wesentliche Grundlage für die günstige Produktion von Sensoren und photonischen Modulen, aber beispielsweise auch für die Entwicklung synthetischer Organellen aus DNA-Molekülen zur Kontrolle von biologischen Zellprozessen.