T R E F F P U N K T FO R SC H U N G |

70 | © 2008 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.chiuz.de Chem. Unserer Zeit, 2008, 42, 66 – 71

N A N O PA R T I K E L |DNA-Kräne und -BaumaterialDie Natur benutzt die wohldefinierte Doppelhelixstruktur zur effizien-ten und erstaunlich fehlersicheren Informationsverarbeitung. Im Laborkann man dieses Prinzip allerdings auch auf den Kopf stellen und die Sequenzinformation der DNA so manipulieren, dass gewünschte Struktur-elemente und sogar mechanisch steuerbare Maschinenteile entstehen.

Statische DNA-Konstrukte gibt es be-reits seit Anfang der 1990er Jahre, alsNadrian Seeman anfing,Würfel undandere geometrische Formen ausdem Erbmaterial aufzubauen. Dochjüngst kam Bewegung in dieses Ge-biet. Zunehmend nutzen Forschernicht nur die starre Doppelhelix-struktur sondern auch die Beweglich-keit und Dynamik des DNA-Molekülsfür immer neue Zwecke.

Die Arbeitsgruppe von HermannGaub an der LMU in München ent-wickelte zum Beispiel auf der Grund-lage des Rasterkraftmikroskops(AFM) einen DNA-Kran, der moleku-lare Baumaterialien aus einem Lageraufgreifen und an einer Baustelle ab-setzen kann.

Die Münchner Forscher demon-strierten ihren Kran mittels eines Flu-oreszenzfarbstoffs, dessen Bewegun-gen sich unter dem Mikroskop leichtverfolgen ließen. Die Farbstoff-Lastwar mit zwei verschiedenen DNA-Strängen gekoppelt, wobei der eineder Haftung an der Unterlage (durchBindung des komplementären Ge-genstrangs), sowie der andere derBindung an den AFM-Arm dient, wel-cher praktisch den beweglichen Armdes Krans darstellt.

Beim Aufgreifen der Ladungmachten die Forscher sich zunutze,dass die DNA-Doppelhelix durchScherkräfte leicht aufgetrennt wer-den kann. Die Zugkraft des Kranswirkte quer zu der Achse der Helix,welche die Last am Boden hielt, undsomit konnten sie diese leicht anhe-ben. Beim Absetzen der Last hin-gegen waren die Helices in gleicherRichtung orientiert, und die ge-wünschte Änderung wurde durchdie verschiedene Länge – und damitBindungsstärke – des Doppelstrangserreicht [1].

Auf diese Weise schrieben dieForscher einen winzigen Buchstaben„M“ mit 400 fluoreszierenden Einzel-molekülen, wobei die Zielsteuerungmit einer Genauigkeit von etwa 10 Nanometern gelang.Wenn dieserKran auf nanotechnologischen „Bau-stellen“ zum Einsatz kommt, kannman zur Lagerhaltung auf die bereitsetablierte Technik der DNA-Arrays(oder DNA-Chips) zurückgreifen, andie man nahezu beliebige molekulareBausteine koppeln kann.

Während auf Gaubs Baustelle allesmit geordneter und von Menschen-hand gelenkter Bewegung abläuft,nutzten zwei andere Forscherteamsdie chaotische Molekularbewegungund dynamische Umordnung derDNA-Doppelstränge zur Ausbildunghochgradig organisierter Strukturen.

Gleichzeitig, aber unabhängigvoneinander, beschäftigten sich dieGruppen von Oleg Gang am Brook-haven National Laboratory im US-Bundesstaat New York [2] und vonChad Mirkin an der NorthwesternUniversity in Evanston [3], Illinois,mit dem bisher ungelösten Problem,Nanopartikel, etwa kolloidales Gold,mit Hilfe von programmierten DNA-

Verbindungsstücken zu wohlgeord-neten dreidimensionalen Gittern zuarrangieren.

Beide Teams benutzten Gold-Par-tikel und versahen jeweils die Hälfteder Teilchen (A) mit einer bestimm-ten DNA-Sequenz und die andereHälfte (B) mit dem komplementärenGegenstrang.Auf diese Weise konn-ten A-Teilchen mit B-Teilchen Bindun-gen eingehen, aber keine der beidenTeilchenarten konnte sich an ihres-gleichen binden.

Beide Arbeitsgruppen fandenübereinstimmend heraus, dass hoheFlexibilität der DNA-Anhängsel zu ge-ordneten Strukturen führte. So er-wies es sich als erforderlich, zwi-schen dem Nanoteilchen und derDNA-Sequenz, die den Doppelstrangbildete, ein flexibles Verbindungs-stück einzubauen. Überdies funktio-nierten die Experimente bei leichterErwärmung besser, also unter Bedin-gungen, bei denen die DNA-Doppel-helix einem dynamischen Gleichge-wicht zwischen Auflösung und Neu-bildung unterliegt.

Unter diesen günstigen Bedingun-gen fanden die US-Forscher, dass sichdie mit beweglichen DNA-Armen aus-gestatteten Teilchen bereitwillig ge-genseitig an die Hand nahmen undsich so zu dem Chemiker wohlbe-kannten Strukturen zusammenlager-ten, nämlich je nach Versuchsbedin-gungen entweder zu kubisch-flächen-zentrierten oder kubisch-raumzen-trierten Kristallgittern.

Ebenso wie der DNA-Kran ist die-ses Kristallgitter auch ein möglicherAusgangspunkt für bisher ungeahnteneue Methoden der Manipulationvon Molekülen.Aufgrund der nötigenLänge und Flexibilität der DNA-Armebestehen die neuartigen Kristalle zuüber 90% aus Wasser – dieser Leer-raum wird sich gewiss mit interessan-ten Anwendungen ausfüllen lassen.

[1] S. K.Kufer et al., Science 22000088, 319, 594.[2 D. Nykypanchuk et al., Nature 22000088, 451,

549.[3] S. Y. Park et al., Nature 22000088, 451, 553.

Michael Großwww.michaelgross.co.uk

Mit der Spitze ei-nes Rasterkraft-mikroskops las-sen sich an DNA-Stränge gekop-pelte Moleküleaufnehmen undauf einer „Monta-gefläche“ (rechts)nanometergenauwieder absetzen.[Bild: LMU München]