Wissenschaftler konstruieren sich selbst faltende Einzelstrang-DNA Nano-Origami schafft DNA-Oktaeder - scinexx | Das Wissensmagazin
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Wissenschaftler konstruieren sich selbst faltende Einzelstrang-DNA

Nano-Origami schafft DNA-Oktaeder

© Mike Pique

Eine Gruppe Wissenschaftler des Scripps Forschungsinstituts hat eine einsträngige DNA konstruiert, die sich spontan in ein extrem stabiles, nanometergroßes Oktaeder zusammenfaltet. Damit erreichten die Forscher einen entscheidenden Durchbruch.

Das hergestellte Oktaeder, eine Struktur bestehend aus zwölf Kanten, sechs Ecken und acht dreieckigen Flächen, ist Millionen Mal kleiner als ein Zentimeter und hat damit etwa die Größe eines kleinen Virus oder eines Ribosoms. Im Gegensatz zu herkömmlicher zweisträngiger DNA können solche stabilen Oktaeder leichter vermehrt, geklont und für unterschiedlichste Einsatzbereiche angepasst werden. Damit stellen sie potenzielle Bausteine für zukünftige Anwendungen beispielsweise als Nanowerkzeuge für die biomedizinische Forschung oder winzige Bauteile eines Computers der Zukunft dar.

Vom Labormodell zum Nanomolekül

Ähnlich wie ein Blatt Papier sich in eine Origamifigur falten lässt, faltet sich auch der von Shih und seinen Kollegen entwickelte DNA-Strang zusammen – in ein kompaktes Oktaeder von etwa 22 Nanometer Durchmesser.

Weltraumteleskop Hubble in seiner Umlaufbahn rund 600 Kilometer über der Erdoberfläche. © NASA & ESA

Diese winzigen Strukturen sind das Ergebnis eines Entwicklungsprozesses, der begann, als Shih in seinem Labor verschiedene Formen aus den flexiblen Kugeln und Stäben eines Modellbausatzes zusammensetzte. Ihm fiel auf, dass Formen mit dreieckigen Flächen erheblich starrer und stabiler waren als solche mit viereckigen. Warum sollte sich dass nicht auch auf den winzigen Maßstab der Dann übertragen lassen.

Gesagt – getan. Shih und sein Kollege Gerald Joyce erzeugten einen DNA-Strang aus 1669 Nukleotidbausteinen, in den sie einen Reihe von komplementären Regionen einbauten. Diese sollte den Strang dazu anregen, sich mit sich selbst zu verbinden und so ein stabiles Oktaeder zu formen. Mit sanfter Nachhilfe durch Erhitzen, Abkühlen und einer speziellen Lösungsflüssigkeit gelang der Versuch tatsächlich: Die DNA faltete sich wie erhofft.

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Proteintransporter und Nanotransistorbaustein

Die spezielle Form des Moleküls macht das DNA-Oktaeder zu einem vielseitig einsetzbaren Baustein für die molekulare Konstruktion von komplexen Strukturen. Angewendet werden könnten sie beispielsweise als künstliche Nanobehälter, in die Proteine oder andere Moleküle hineingebracht werden könnten.

Eine andere Anwendung ergibt sich im Bereich der Elektronik und der Computertechnik: Bisher gilt die gezielte Anordnung der winzigen Bauteile als eines der Hauptprobleme bei der Konstruktion von Nanotransistoren. Die DNA-Oktaeder könnten hier eine wichtige Rolle als Hilfsmittel und Bausteine für die Entwicklung dieser Technologie spielen.

(Scripps Research Institute, 13.02.2004 – NPO)

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