Nanoroboter aus DNA-Molekülen

Elektrische Felder ermöglichen schnelle, kontrollierte Bewegungen der Erbgutstränge
Illustration eines nanoskaligen Roboterarms aus DNA-Molekülen.
Illustration eines nanoskaligen Roboterarms aus DNA-Molekülen.
© F. Simmel et al., TUM
München - Der Bau eines der weltweit wohl kleinsten Roboter gelang kürzlich in einem Labor der Technischen Universität München. Aufgebaut aus synthetischen DNA-Strängen konnten seine Bewegungen nur unter hochauflösenden Mikroskopen verfolgt werden. Elegant ließ sich ein Arm des Nanoroboters mit elektrischen Feldern innerhalb von Millisekunden steuern. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, könnten solche Robotersysteme in Zukunft für den kontrollieren Transport von Molekülen oder Nanopartikeln genutzt werden.

„Bisher verlief der Antrieb von DNA-Nanomaschinen relativ langsam über Zeitskalen von Minuten oder gar Stunden“, sagt Friedrich C. Simmel, Leiter der Arbeitsgruppe „Physik synthetischer Biosysteme“. Verantwortlich für das geringe Tempo waren biochemische Prozesse, über die die DNA-Moleküle gezielt Struktur und Position ändern konnten. Simmel und seine Kollegen nutzten stattdessen die schnelle Schaltbarkeit von elektrischen Feldern mit bis zu 120 Volt Spannung. Damit konnten sie beispielsweise einen etwa 450 Nanometer langen Roboterarm aus elektrisch aufgeladenen DNA-Molekülen binnen weniger Millisekunden auf Wunsch in mehrere Richtungen bewegen.

Zum Bau des Nanoroboters nutzten die Wissenschaftler die Selbstorganisation, zu der die aus den Nukleinbasen Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Thymin (T) bestehenden Molekülstränge fähig sind. So ließ sich auf einer quadratischen DNA-Unterlage mit 55 Nanometer Kantenlänge ein Roboterarm von zunächst 25 Nanometer Länge aufsetzen. Dieser Arm konnte durch das Andocken weiterer Moleküle auf mehr als 400 Nanometer verlängert werden. Mit mehreren Mikroskopen überprüften Simmel und Kollegen erst den gelungenen Aufbau ihres Nanoroboters und danach auch die über elektrische Felder filigranen Bewegungen.

In weiteren Versuchen zeigten die Forscher, dass ihr nanoskaliger Roboterarm sogar einzelne Moleküle oder Nanopartikel aus Gold berühren und 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 „hybrider Bio-Nanoelektromechanische Systeme“ – kurz Bio-NEMS – könnte in Zukunft auch für hochempfindliche Sensoren oder für die gezielte Kontrolle über chemische Reaktionen genutzt werden.

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