Nanorobotik: Winziger Motor aus DNA treibt Roboter an

Forscher:innen aus München erreichten kürzlich einen Meilenstein in der Nanorobotik: Sie konstruierten einen winzigen Motor aus DNA, der sogar für kurze Zeit Energie speichern kann. Solch ein Motor ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu fortschrittlicheren Robotern und Maschinen im Nanobereich.

Nanomotor aus München

In lebenden Zellen finden sich zahlreiche kleine molekulare Maschinen. Diese erfüllen dort zahlreiche Aufgaben – von der Produktion von Energie in Form von ATP-Molekülen über das Falten von Proteinen hin zu einfachen Aufgaben wie der Erzeugung von Vortrieb für die Bewegungen einzelliger Lebewesen. Biophysiker:innen der Technischen Universität München haben nun außerhalb der Zelle einen winzigen Motor entwickelt, der vollständig aus DNA-Strängen besteht und sogar kurzzeitig Energie speichern kann, indem er eine Art DNA-„Feder“ aufzieht und nutzt.

Es handelt sich dabei nicht um den ersten DNA-Motor, aber laut Hendrik Dietz, Physiker und Professor für molekulare Robotik an der TU München, ist es der erste derartige Motor, der „tatsächlich messbare, mechanische Arbeit leistet“. Mit der Technik reihen die Münchner Forscher:innen sich in eine Reihe von Teams, die DNA-Origami-Tricks nutzen, um auf molekularer Ebene Strukturen aufzubaunen. Dietz hofft, dass die Technologie eines Tages zur Konstruktion winziger DNA-Nanofabriken beitragen kann, die dann zur chemischen Synthese oder zur zielgerichteten Verabreichung von Medikamenten verwendet werden können.+

Das Team von Dietz ist weltweit führend, wenn es um die Entwicklung und Anwendung der DNA-Origami-Technik geht. Im Rahmen dieser Technik werden einzelsträngige DNA-Schleifen in Bakterien herangezüchtet und dann in einer Lösung mit kurzen Strängen synthetischer DNA vermischt. Diese kurzen Stücke verbinden sich dann mit den langen Strängen und zwingen sie quasi dazu, sich in die angestrebte Form zu falten. Wenn man die einzelnen Bauteile geschickt auswählt, wird das gewünschte Ergebnis sozusagen von selbst im Reagenzglas zusammengebaut. Die erste Demonstration dieser Technik gelang im Jahr 2006 einem Team rund um Paul W. K. Rothemund vom California Institute of Technology. Seitdem haben unter anderem die Münchner Forscher:innen das Prinzip weiter erforscht und entwickelt und damit immer komplexere DNA-Origamis gebaut.

Ratscheneffekt verhindert willkürliche Drehungen

Die DNA-Nanomotoren des Münchner Teams arbeitet mit Ratschenmechanismen, die ähnlich wie die Zahnräder in Uhrwerken funktionieren. Das heißt, sie lassen eine Drehung in eine, nicht aber in die andere Richtung zu. Wie alle anderen Zellbestandteile machen sich auch die Nanomotoren die sogenannte brownsche Bewegung zunutze. Dabei handelt es sich um die ständige, zufällige Bewegungen von Molekülen und anderen Teilchen im Zellplasma. Wenn die Teilchen zusammenstoßen, geben sie sich gegenseitig eine Art „Energiekick“. Für ihre Motoren konstruierten die Forscher:innen dreieckige Plattformen aus DNA, aus deren Mitte ein Stab herausragt. Diese Strukturen klebten sie dann auf eine Glasoberfläche und versahen sie mit langen DNA-Armen, die sie so an den Plattformen befestigten, dass sie sich um die Stäbe drehen konnten.

Unebenheiten auf den Plattformen nutzte das Team dann, um einen Ratscheneffekt zu erzeugen. Die durch die brownsche Bewegung ausgelösten Stöße ermöglichten es den Armen, die Unebenheiten auf den Plattformen zu überwinden und sich zu drehen. Damit diese Drehung nicht willkürlich hin und her geht, tauchten die Forscher:innen zwei Elektroden in die Lösung und ließen einen elektrischen Wechselstrom durch sie fließen. Die Spannung veränderte die Energielandschaft, der die DNA-Arme ausgesetzt waren. Es entstand ein Mechanismus, der als blinkende brownsche Ratsche bekannt ist und der die Drehung in eine Richtung begünstigte.

Wichtige Demostration für künftige Forschung

Durch diesen Trick wurden die vorher passiven Vorrichtungen zu echten Motoren. Unter dem Mikroskop konnten die Forscher:innen zeigen, dass sich nun jeder Arm zwar weiterhin zufällig schüttelte, aber im Durchschnitt immer immer in die gleiche Richtung drehte. „Es ist wie beim Schwimmen: Man bewegt sich vorwärts und verrichtet dabei eine Menge Arbeit, die sich im Wasser verflüchtigt„, so Dietz. Die Forscher:innen wollten jedoch zeigen, dass ihr Motor potenziell auch nützliche Arbeit verrichten kann. Dafür konstruierten sie einen DNA-Strang, der von dem Motor wie eine Spiralfeder aufgerollt wurde. So ein Mechanismus könnte Nanomaschinen dabei unterstützen, Energie zu speichern oder etwa an anderen mechanischen Komponenten zu ziehen.

Für Dietz handelt es sich bei dem Motor um eine wichtige Demonstration für das dahinter stehende Prinzip und dafür, dass sich mit der DNA-Origami-Technik nicht nur statische Nanosysteme herstellen lassen, sondern auch wirklich nützliche Arbeit verrichtet werden kann.

via TU München