DNA-Origami: Mikrostrukturen bauen sich selbst

Boston (USA) - Winzige Strukturen für elektronische Schaltkreise, Sensoren oder photonische Bauteile werden heute mit lithografischen Verfahren etwa aus Silizium-Wafern heraus geschnitten. Statt kleine Strukturen aus großen Rohlingen zu formen, könnten sie auch gezielt aus einzelnen Molekülen zusammengesetzt werden. Künstliche Erbgutmoleküle schaffen das sogar völlig alleine über eine ausgeklügelte Selbstorganisation. Mit dieser Methode des DNA-Origamis gelang es nun einer internationalen Forschergruppe erstmals, filigrane Strukturen aus abertausenden Molekülen zu fertigen. Über ihre Ergebnisse, die den Weg zu einer technischen Anwendung des DNA-Origamis ebnen könnten, berichten die Wissenschaftler aus den USA, Frankreich, China und Deutschland in der Fachzeitschrift „Nature“.

Grundlage des DNA-Origami bilden die vier Nukleinbasen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T). Über die spezifische Bindungen zwischen Adenin und Thymin oder Guanin und Cytosin formt sich beispielweise die komplexe Doppelhelix-Struktur im Erbgut von Lebewesen heraus. Die Nukleinbasen lassen sich auch im Labor zu fast beliebig langen Strängen aneinanderketten. Werden diese Stränge in einer Lösung vermischt, verknüpfen sie sich selbstständig zu komplexeren Strukturen. Die Form dieser Strukturen lässt sich im Voraus über spezielle Programme für ein Moleküldesign festlegen.

Bisher gelang es mehreren Forschergruppen weltweit, einige hundert DNA-Stränge gezielt miteinander zu verknüpfen. Peng Yin von der Harvard University in Boston und seine Kollegen schufen nun fast Mikrometer große Strukturen aus zehntausenden Bauteilen. Dazu entwickelten sie eine Art Baukasten-System. In einem ersten Schritt ließen sie je 52 Nukleotide, die jeweils aus einer Nukleinbase und einer molekularen Zucker- und Phosphatgruppe bestehen, sich zu winzigen, nahezu quaderförmigen Bauteilen zusammenlagern. Jeder Quader verfügte über mehrere Andockstellen für weitere Nukleinbasen-Bindungen. Im zweiten Schritt konnten sich über diese Verknüpfungspunkte zehntausende Quader selbstständig zu komplexen Nanostrukturen verbinden.

Yin und Kollegen gelang es über diesen Weg, einzelne Buchstaben, einen kleinen Bären und einen Hasen mit den DNA-Bausteinen zu fertigen. Ein eigens entwickeltes Computerprogramm – Nanobrick – berechnete die Menge und Zusammensetzung der dazu nötigen künstlichen DNA-Stränge. Nachdem sich die Strukturen selbstständig zusammengelagert hatten, ließen sie sich mit einem Transmissioneselektronenmikroskop sichtbar machen. Damit bewiesen die Forscher, dass DNA-Origami für die Synthese von größeren, komplexen Nanostrukturen aus zehntausenden Bauteilen geeignet ist. Dies ist eine wesentliche Grundlage, um aus DNA-Molekülen winzige Gerüste für Sensoren, photonische Module oder gar synthetische Organellen zur Kontrolle von biologischen Zellprozessen zu entwickeln.

„Die Methode der Selbstorganisation ist günstig und auf größere Mengen skalierbar“, sagt Gregory Doerk vom Brookhaven National Laboratory in Upton. „Ganz ohne komplizierte Werkzeuge, die sonst nötig wären, können wir nun präzise Nanostrukturen fertigen.“ Dazu nutzte er im Unterschied zur Harvard-Gruppe keine DNA-Moleküle, sondern zwei Polymertypen: Polystyrol und Polymethylmethacrylat. Nach einem kurzen Aufheizen ordneten sich die Polymermoleküle zu gleichförmigen Nanobalken an. Diese Struktur setzten Doerk und seine Kollegen in eine Atmosphäre aus Trimethylaluminium. Diese Metallverbindung infiltrierte die Polymere, reagierte zu stabilem Aluminiumoxid und stabilisierte so die Struktur. Die Oberfläche diente wiederum als Grundlage für weitere Nanostrukturen, die sich abermals selbstständig aus einer Polymerschicht bildeten. Dieser Prozess ließ sich prinzipiell mehrere Male wiederholen, um schließlich fast beliebig komplexe Nanostrukturen aufzubauen. Zum Abschluss konnten die Forscher mit einem Sauerstoff-Plasma alle Polymerbestandteile veraschen und entfernen. Zurück blieb jeweils ein dreidimensionales Probestück aus Aluminiumoxid mit komplex gewundenen und lamellenförmigen Geometrien.