Ludwig-Maximilians-Universität München
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Physik

Die Magie des Materials

München, 08.02.2016

Waben, Kreuzungen, Brücken: DNA-Komponenten falten sich von selbst auf; LMU-Physiker Tim Liedl nutzt diese Eigenschaft, um vielseitig einsetzbare Nano-Konstruktionen zu bauen.

Alles muss passen - arbeiten mit DNA-Material. Foto: Jan Greune

Unscheinbar sieht der schwarze Kasten im Labor von Tim Liedl im Untergeschoss des Physikgebäudes aus. Doch was darin passiert, hört sich für den Laien an, als wäre Magie im Spiel. Wie von selbst falten sich in einer warmen Lösung aus einfachen DNA-Sequenzen komplexe dreidimensionale Strukturen im Nanometer-Maßstab, und das exakt wie es der Physiker zuvor berechnet hat. Tim Liedl, Professor an der LMU, ist mittlerweile ein Meister darin, aus DNA-Komponenten winzige Gebilde wie Waben, Kreuzungen oder Brücken entstehen zu lassen. Dabei nutzt er die Eigenschaft der Bausteine, sich selbst aufzufalten.

DNA-Origami nennt man das. Origami – das ist an sich die Fertigkeit, aus Papier hochkomplexe Gebilde zu falten. Das geht vom Prinzip her statt mit Papier eben auch mit Erbmaterial. „DNA-Moleküle sind letztlich einfache Moleküle“, sagt Liedl. Sie sind robust und stabil. Und sie bestehen aus einer simplen Abfolge von nur vier verschiedenen Grundbausteinen, den Basen Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Die Base A geht dabei vorzugsweise eine Paarung mit T ein und C mit G. Diese Nukleinsäuren lassen sich als molekulares Material für nanometerkleine Strukturen nutzen. Der Trick ist, dass sich Stränge an kurzen Basenfolgen gegenseitig erkennen. Sie finden deswegen automatisch zueinander und nehmen dabei von selbst eine bestimmte geometrische Form an.

Die Anfänge der DNA-Nanotechnologie, wie sie damals noch hieß, sahen noch nach Spielerei aus. So als hätten die Forscher im Labor Spaß daran, kleine Figuren zu bauen. Der Amerikaner Ned Seemann, der Vater der neuen Technologie, baute als erster 1991 aus DNA-Strukturen einen etwa zehn Nanometer kleinen Würfel, dafür genügten noch einige hundert Basenpaare. 2004 folgte unter anderem der Biochemiker William Shih von der Harvard University mit einem Oktaeder. Der Informatiker Paul Rothemund vom Caltech in Pasadena schließlich baute zwei Jahre später einen Smiley und etablierte dabei die Technik, die heute als DNA-Origami bekannt ist.

Das Baugerüst stammt aus einem Virus
Obwohl die Forscher der Öffentlichkeit spielerische Dinge präsentierten wie Delfine, Buchstaben, Kreuze und andere geometrische Figuren, ja sogar eine Karte von Amerika, hatten sie das Potential des neuen Verfahrens fest im Blick: gezielt vielseitig einsetzbare Vehikel für die aufkommende Nano-Technologie zu konstruieren. So arbeiteten sie letztlich daran, ihren Werkzeugkasten der geometrischen Möglichkeiten ständig zu erweitern. Kreuzungen etwa führen zu Kristallgittern. Tim Liedl war maßgeblich daran beteiligt, dass mittlerweile 3-D-Objekte zum Standardrepertoire der Origami-Ingenieure gehören. Er entwickelte neben vielen anderen Strukturen auch ein Y-artiges Gebilde, das eine Dreifach-Verzweigung ausbilden kann. Die ermöglicht es, Sechsecke und daraus wiederum größere Gitter zu formen. Im nächsten Schritt soll diese Art der hierarchischen Selbstanordnung weitergetrieben werden, um dreidimensionale Nano-Fußbälle zusammenzufügen. Die Fullerene, fußballartige Kohlenstoffmoleküle, dienen hier als Vorbild. Die rasante Entwicklung der Nano-Wissenschaften lässt sich auch an der Geschichte der DNA-Origami nachverfolgen.

Dieses DNA-Origami beherrscht Tim Liedl in Perfektion. „Wir nutzen die physikalischen Eigenschaften der DNA, nicht deren genetische Information“, sagt der LMU-Wissenschaftler. „Aus DNA-Strängen, die sich gegenseitig erkennen, können wir im Grunde jede Form bauen.“ Mit dieser Technik arbeitet Liedl, den der Europäische Forschungsrat mit einem seiner hochdotierten Starting Grants fördert, an einer ganzen Reihe von Anwendungen: etwa an Konstruktionen, die Lichtenergie einfangen und wandeln sollen, an medizinischen Träger-Systemen, die Wirkstoffe zielgenau abliefern, oder optisch aktiven Nano-Komponenten.

Der Physiker geht dabei vor wie ein Ingenieur: Er konstruiert gleichsam maßgeschneiderte künstliche Riesenmoleküle, die sogar Mikrometergröße erreichen, aber eben im Nanometer-Maßstab veränderbar bleiben. Als Baugerüst verwendet Liedl in der Regel einen 7249 Basenpaare langen, aus einem Virus gewonnenen DNA-Strang mit dem Namen M13, M steht dabei für Martinsried, dem Entdeckungsort. M13 lässt sich aktuell mit zusätzlich hineingeklonten Strängen auf 8640 Basen verlängern, das ist im Übrigen aber noch nicht die maximale Länge, aus der sich Strukturen falten lassen; der derzeitige Rekord liegt bei 51.466 Basenpaaren. Der lange Strang jedenfalls wird nun nach einem vorher ausgeklügelten Bauplan mit Hilfe von einigen hundert kürzeren Strängen in Form gebracht. Diese Bruchstücke sollten jeweils mindestens zehn Basen lang sein, dann ist gewährleistet, dass die Zuordnung eindeutig ist und sie nur an einem vorherbestimmten Platz andocken. Auf die Länge von M13 ist schon unwahrscheinlich, dass sich eine bestimmte Abfolge von nur acht Bausteinen wiederholt.

Weiter mit Seite 2: Der richtige Plan, die richtigen Reaktionsbedingungen: Alles muss passen

 

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