Nano-Transport wie am Fließband

Eine Vision von Nanowissenschaftlern ist die Fabrik im Nanomaßstab, in der sich Roboter selbst zusammensetzen. Einige Komponenten solcher Fabriken gibt es bereits heute, sogar der Baustoff für die Fabriken im Kleinstformat ist schon gefunden: Die Bausteine unserer Erbsubstanz, die DNA-Moleküle, können auf beinahe jede erdenkliche Weise miteinander verknüpft werden und bilden ein ideales Baugerüst. Was noch fehlt, ist eine Methode, mit der Materialen wie Metallatome oder andere Nanopartikel zu den unterschiedlichen Produktionsstätten zielgerichtet transportiert werden können. Wissenschaftler der Duke University und der University of Oxford haben nun ein Transportsystem entwickelt, mit dem DNA-Stücke auf einer festgelegten Bahn von einer Station zu einer anderen gelangen.

Erst im Juli hatte der Nanochemiker Nadrian C. Seeman erstmals einem DNA-Zweibeiner das Laufen gelehrt (Nano Letters Band 7, S. 1203). Jedes Bein des Läufers besteht aus einem DNA-Doppelstrang. Am oberen Ende hängen die Beine zusammen und am unteren Ende sind sie mit Ankern verbunden. Um eines der Beine von dem Anker zu lösen, werden kurze DNA-Stücke zugegeben, die auch an den Anker binden können und so das Bein von der Bindungsstelle verdrängen. Wenn sich das freie DNA-Bein auf einen neuen Anker gesetzt hat, wiederholt man den Vorgang für das zweite Bein. Weil es sich bei diesem Mechanismus um eine Verdrängungsreaktion handelt, entscheidet der Zufall darüber, ob die DNA-Beine oder die zugegebenen DNA-Fragmente an den Anker binden.

Und genau ist das Besondere an der Methode von Hao Yan, John H. Reif und Andrew J. Turberfield, die ihre Arbeit jetzt in der September-Ausgabe der Zeitschrift Angewandte Chemie (Band 37, S. 5014) vorgestellt haben: Die DNA-Stücke binden vorhersehbar an definierte Zielstrukturen. Die einzelnen Komponenten des Nano-Fließbandes sind ein doppelsträngiges DNA-Rückrat, an das drei bewegliche, doppelsträngige DNA-Arme gebunden sind, die nacheinander angeordnet sind, und ein Transporter, der auch aus einem DNA-Doppelstrang besteht. Weitere Zutaten sind spezielle Enzyme sowie der Energieträger ATP (Adenosintriphosphat).

Der Transporter ist zunächst an den ersten Arm gebunden. An dem freien Ende des Transporters ist der eine Strang etwas länger als der andere. Auf diese Weise entstehen so genannte sticky ends, also klebrige Enden, die an andere freie DNA-Enden binden können. Man kann sich das Prinzip der klebrigen Enden wie die zwei Teile eines Klettverschlusses vorstellen. Die passenden Gegenstücke zu dem freien Ende des Transporters sind die freien Enden des zweiten und dritten Arms.

Klappen nun der erste und der zweite Arm so um, dass sie gegenüber liegen, kann der Transporter an das freie Ende des zweiten Arms binden. Ein Enzym, eine Ligase, verknüpft die freien Enden, und der Transporter verbindet die beiden Arme. Ein anderes Enzym, eine Nuklease, koppelt dann den Transporter von dem ersten Arm ab. Das Enzym schneidet die DNA so, dass wieder überstehende Enden entstehen. Nun ist der Transporter nur noch mit dem zweiten Arm verbunden und kann an den dritten Arm weitergegeben werden. Noch ist der DNA-Transporter mit einer Größe von drei Basenpaaren recht klein und die Transportstrecke kurz, aber die Forscher arbeiten bereits an einer längeren Version.

Von Antje Galuschka (wst)