Bastelstunde im Labor

Wissenschaftler sind heute in der Lage, kleinste Strukturen gezielt zu konstruieren und zu manipulieren. Anwendung finden diese Nanokonstrukte etwa bei immer kleineren Transistoren auf immer dichter bepackten Computerchips. Oder in der Medizin, wenn es darum geht, Wirkstoffe gezielt an bestimmten Stellen des Körpers zu platzierenen und winzige Mengen von Molekülen im Blut nachzuweisen. Dabei setzen die Forscher auch auf Konstruktionen aus unserem Erbmaterial und basteln dreidimensionale Objekte aus DNA. Der Vorteil: Die Molekülketten sind sehr stabil, im Labor einfach herzustellen und lassen sich in ihrer Struktur beeinflussen. Die Methode heißt DNA-Origami.

DNA-Moleküle bestehen aus Grundbaustenen, die jeweils eine der vier  Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin tragen. Die Bausteine verketten sich zu langen Strängen, in denen sich Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin paaren. Diese Stränge wiederum falten sich in einer dreidimensionalen Struktur, die flexibel ist und unter anderem von der Reihenfolge der Basenpaare abhängt. Forscher versuchen sich diese Eigenschaften zu Nutze zu machen. So gelang es 2006 erstmals einem amerikanischen Forscherteam, komplexe DNA-Strukturen nach Plan zu erzeugen. Damit eine bestimmte Form stabil beibehalten wird, hefteten die Wissenschaftler die Molekülketten an bestimmten Stellen mit kurzen DNA-Einzelstücken zusammen. Diese DNA-Heftklammern zwingen den Strang sich zu falten, denn die Basenabfolgen waren so entworfen worden, dass sie immer zwei bestimmte Stellen des langen DNA-Strangs in einem Übergang verbanden. Sie „tackerten“ gewissermaßen den Strang in die gewünschte Form. Heute ist es möglich, mithilfe dieser Heftklammern DNA-Stränge in nahezu beliebigen dreidimensionalen Strukturen zu entwerfen und im Labor zu basteln.

Die Anwendungen der Technik sind vielfältig. Auch für die Materialwissenschaftler um Adrian Keller am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) spielen DNA-Stränge eine wichtige Rolle. Keller und sein Team haben mittels DNA-Origami einen Sensor entwickelt, mit dem sich einzelne Moleküle nachweisen lassen. „Wir können so chemische und biochemische Reaktionen auf molekularer Ebene untersuchen“, sagt Keller.

Die hohe Empfindlichkeit des Sensors beruht auf einer maßgeschneiderten Umgebung, die die Forscher mit Hilfe von DNA-Origami konstruierten. Als Unterlage dienten Dreiecke aus DNA, deren Kantenlänge etwa 100 Nanometer betrug. Aus einem solchen Dreieck ragten zwei exakt platzierte Anker aus kurzen DNA-Einzelsträngen  hervor, an denen zwei mit DNA beschichtete Goldpartikel in genau definiertem Abstand zueinander gebunden waren.

Dieser Sensor wirkt wie eine Art Molekülfalle. Die Forscher bestrahlten die Nano-Konstruktion mit grünem Laser und erhielten ein spezifisches Streuungsmuster, je nachdem, was für ein Molekül sich zwischen den Goldpartikeln befand. So konnten sie den optischen „Fingerabdruck“ selbst einzelner Farbstoffmoleküle eindeutig in dem gestreuten Licht erkennen und die Moleküle identifizieren. „Als nächstes wollen wir verschiedene Moleküle, insbesondere Proteine, einfangen und nachweisen“, sagt Adrian Keller. Später sollen DNA-Origami-Sensoren kleinste Mengen von Biomolekülen im Blut nachweisen können.