Nanoroboter aus DNA-Molekülen

Forscher um Friedrich Simmel von der Technischen Universität München bauten einen der weltweit wohl kleinsten Roboter: Zusammengesetzt aus synthetischen DNA-Strängen ließen sich dessen Bewegungen nur unter hochauflösenden Mikroskopen verfolgen. Mithilfe von elektrischen Feldern war es möglich, den Nanoroboter innerhalb von Millisekunden gezielt zu steuern. Wie das Team in der Fachzeitschrift „Science“ berichtet, könnten solche Robotersysteme in Zukunft für den kontrollierten Transport von Molekülen oder Nanopartikeln genutzt werden.

Zum Bau des Nanoroboters nutzten Simmel und seine Kollegen die Selbstorganisation, zu der die aus den Nukleinbasen Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin bestehenden Molekülstränge fähig sind. So ließ sich auf einer quadratischen DNA-Unterlage mit einer Kantenlänge von 55 Nanometern ein Roboterarm mit einer Länge von zunächst 25 Nanometern aufsetzen. Durch das Andocken weiterer Moleküle konnte das Team diesen Arm dann verlängern.

„Bisher verlief der Antrieb von DNA-Nanomaschinen relativ langsam über Zeitskalen von Minuten oder gar Stunden“, so Simmel. Verantwortlich für das geringe Tempo waren biochemische Prozesse, über die DNA-Moleküle gezielt ihre Struktur und Position änderten. Simmel und seine Kollegen nutzten stattdessen die schnelle Schaltbarkeit von elektrischen Feldern mit einer Spannung von bis zu 120 Volt. Damit konnten sie beispielsweise einen etwa 450 Nanometer langen Roboterarm aus elektrisch aufgeladenen DNA-Molekülen binnen weniger Millisekunden kontrolliert in mehrere Richtungen bewegen. Mit mehreren Mikroskopen überprüften die Forscher erst den gelungenen Aufbau ihres Nanoroboters und danach auch die über elektrische Felder kontrollierten Bewegungen.

In weiteren Versuchen zeigten die Wissenschaftler, dass ihr Roboterarm sogar einzelne Moleküle oder Nanopartikel aus Gold bewegen konnte. „Derzeit arbeiten wir an mehreren Erweiterungen des Systems“, sagt Simmel. So soll ein verlässlicher Mechanismus entwickelt werden, mit dem kontrolliert Moleküle oder Nanoobjekte an einer Stelle aufgenommen und an anderer wieder abgelegt werden können. Diese Technologie könnte in Zukunft auch für hochempfindliche Sensoren für einzelne Moleküle oder für die gezielte Kontrolle über chemische Reaktionen genutzt werden.