Assembler 0.1

Zwei US-Forschungsteams haben aus DNA-Strängen winzige Maschinen gebaut, die einer vorgegebenen Route folgen. Einer der Nano-Roboter kann zudem auch Frachten befördern.

Molekulare Roboter gehören zur Gründungsfolklore der Nanotechnik. 1986 skizzierte sie erstmals der Ingenieur Eric Drexler als winzige Maschinen aus diamanantartigen Verbindungen, die eines Tages in gewaltigen Schwärmen sämtliche Gegenstände Atom für Atom zusammenbauen könnten. Gewissermaßen als Zwischenstufe zu diesen molekularen „Assemblern“ sah Drexler Nanomaschinen, die aus biologischen Molekülen konstruiert werden. Diesem Ziel sind nun zwei US-Forschungsteams einen Schritt näher gekommen: Sie haben chemisch programmierbare Strukturen aus DNA-Strängen hergestellt -  spinnenartige Gebilde, die sich gezielt fortbewegen und Goldteilchen transportieren können.

DNA-Moleküle sind die erste Wahl für solche Ansätze. Weil ihre vier Grundbausteine – die Basen Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin (A, T, C, G) – sich jeweils in Paaren (A-T oder C-G) verbinden, eignen sie sich als molekulares Lego: An einen einzelnen Strang etwa mit der Basenfolge AATCAGC lagert sich ein anderer mit der komplementären Folge TTAGTCG an. Dieses Prinzip lässt sich nutzen, um aus geschickt entworfenen DNA-Einzelsträngen vielfältige geometrische Strukturen zu bauen. Sogar logische Schaltkreise, die etwa das mathematische „Problem des Handlungsreisenden“ lösen können, sind damit möglich.

Bereits in den neunziger Jahren schuf der New Yorker Chemiker Ned Seeman Würfel (siehe Bild) und Kreuze aus DNA-Abschnitten, später folgten „Nano-Kräne“. Besonders bekannt wurde 2006 das „DNA-Origami“ des Caltech-Forschers Paul Rothemund: Er erzeugte aus langen DNA-Strängen Smileys (siehe Bild) und andere flächige Figuren – die Basenfolgen waren am Rechner so entworfen, dass sich die Stränge falteten und einzelne Abschnitte miteinander verbanden. Zusammen mit Milan Stojanovic, einem der führenden Forscher an DNA-Schaltkreisen, und weiteren Kollegen legen beide jetzt nach.

In der einen Arbeit haben Gruppen der Columbia University, der Arizona State University und des California Institute of Technology (Caltech) ein einfaches molekulares Straßennetz konstruiert, über das eine vierbeinige „Nano-Spinne“ läuft. Es besteht aus einer nach Rothemunds Origami-Prinzip gebildeten Fläche aus DNA. In regelmäßigen Abständen ragen aus ihr lose Enden von einzelnen DNA-Strängen wie Pfosten empor. An einige von denen können sich die „Beine“ der Nano-Spinne – ebenfalls DNA-Stränge – anlagern, wenn ihre Basenfolgen sich entsprechen. Drei Beine dienen dabei zur Fortbewegung, das vierte fungiert als Standbein. Den „Körper“ wiederum bildet das Protein Streptavidin.

Wie kommt nun die Bewegung zustande? Entscheidend ist, dass die zueinander passenden DNA-Beine und DNA-Pfosten sich in einer Position unterscheiden: Während am Bein an einer Stelle eine wie ein Enzym wirkende DNA-Schlaufe sitzt – ein „DNAzym“ –, befindet sich am Pfosten ein so genanntes Ribonucleotid. Das dient als Sollbruchstelle: Das DNAzym schneidet hier den Pfosten durch und kürzt ihn damit. Weil sich ein DNA-Bein von einem gekürzten DNA-Pfosten schneller löst als von einem langen, bekommt die Nano-Spinne statistisch gesehen einen Drall hin zu den längeren, weg von den bereits gekürzten DNA-Pfosten. Ergebnis: Sie bewegt sich langsam über die Fläche.

Bis zu 50 Schritte weit kann sie „gehen“ – deutlich mehr als die ersten zweibeinigen „Nano-Läufer“ aus DNA vor einigen Jahren, die zwei bis drei Schritte schafften. Schluss ist erst, wenn das Spinnengebilde keine passenden Stränge auf der Oberfläche mehr findet, an die es sich anlagern kann. Damit beantworten die Forscher elegant eine grundsätzliche Frage, die die Idee von Nanorobotern aufgeworfen hat: Wie kann man eine molekülgroße Maschine bauen, in der neben den mechanischen Elementen auch noch jede Menge Informationen in Form eines komplexen Steuerprogramms gespeichert werden müssen? „Wir programmieren die Bewegung, indem wir die Landschaft programmieren“, beschreibt Milan Stojanovic das Grundkonzept. „Auf diese Weise können wir komplexere Strukturen bauen, bei denen mehr als ein Molekül interagiert und schwierige Operationen auf der Oberfläche ausgeführt werden. Wir hoffen, dass wir mit dieser Art von Nanoroboter irgendwann Gewebe reparieren können.“

Das Konzept von Ned Seemans Gruppe an der New York University geht noch einen Schritt weiter: Die Nano-Spinne ist hier ein vierbeiniger Transporter, der zusätzlich drei weitere DNA-Stränge als „Arme“ hat, die eine Fracht halten können – zum Beispiel ein präpariertes Gold-Nanoteilchen. Das wird von einer dritten DNA-Komponente, die entlang des Weges aus der Oberfläche aus DNA-Origami aufragt, als Depot bereitgestellt.

Im Unterschied zum anderen Konzept entsteht die Bewegung hier nicht mit Hilfe des DNAzyms. Stattdessen fügen die Chemiker für jeden Zwischenschritt zusätzlich kurze DNA-Stränge hinzu, die Beine und Pfosten miteinander verbinden oder wieder voneinander lösen. Der Aufwand für die Fortbewegung ist hier also größer.

Seemans Gruppe hat damit eine rudimentäre Fertigungsstraße im Nanoformat demonstriert. Chemisch lassen sich die Depots so programmieren, dass sie Teilchen nur an bestimmte vorbeilaufende Nano-Transporter weiterreichen. Mit drei Depots entlang des Weges werden damit acht verschiedene Ladekombinationen möglich, was acht verschiedenen „Produkten“ entspricht, die die Transporter ins Ziel bringen können. Diese Konstruktion könnte irgendwann dazu dienen, zum Beispiel molekulare Schaltkreise präzise zusammenzubauen. Aber auch Materialien mit einer neuen Molekülstruktur seien dadurch denkbar, sagt Lloyd Smith, Chemiker an der Universität von Wisconsin in Madison. „Solche Nanoroboter könnten Moleküle in einer Weise miteinander reagieren lassen, die nicht möglich ist, wenn sie in einer Lösung zufällig aufeinander treffen.“

Es ist diese molekulare Präzision, die Eric Drexler letztlich vorschwebte, als er die Assembler-Technologie konzipierte – wofür er zum Teil heftig von anderen Forschern angefeindet wurde, die ihm  unwissenschaftliche Sciencefiction vorwarfen. „Wir bewegen uns langsam von interessanten Einzelobjekten zu Systemen aus solchen Objekten, die ein komplexeres Verhalten annehmen“, sagt Smith. Genau davon handelt Drexlers zweites Buch, 1992 erschienen. Sein Titel: „Nanosystems“. Vielleicht wird diese Utopie irgendwann doch noch Realität.

Die Paper:

Lund, K. et al., „Molecular robots guided by prescriptive landscapes“, Nature, Vol 465, S. 206 – 210, 13. Mai 2010; (Abstract).

Gu, H. et al., „A proximity-based programmable DNAA nanoscale assembly line“, Nature, Vol 465, S. 202 – 205, 13. Mai 2010; (Abstract). (nbo)