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Wo Gold ist, bestimmt die DNA

Nanotechnologie: Medizintechnik kann mit Hilfe von Biomolekülen weiter schrumpfen
Wo Gold ist, bestimmt die DNA

Sensoren und Aktuatoren sind in Größen bis zu einigen Mikrometern verfügbar. Eine weitergehende – kostengünstige – Verkleinerung versprechen Strukturen, die sich aus DNA-Molekülen mit molekularbiologischen Methoden herstellen lassen.

Kleinste Strukturen sind gefragt: Komplette Lab-on-Chip-Systeme sind nur wenige Millimeter bis Zentimeter groß, biochemische Sensoren lassen sich mit der Photolithographie im Mikrometermaßstab herstellen. Protein- und DNA-Arrays, so genannte Biochips, tragen auf 1 cm² mehrere tausend Spots mit Reagenzien, mit denen sich Allergien oder Unverträglichkeiten nachweisen lassen.

Diese Miniaturisierung bringt Vorteile. Das Probenvolumen sinkt, so dass ein Tropfen Blut viele Analysen ermöglicht. Auch schnellere Temperaturwechsel sind möglich, und der Verbrauch teurer Reagenzien nimmt ab. Sehr viele Proben können parallel und automatisch analysiert werden, wobei kürzere Analysezeiten und frühere Diagnose größeren Behandlungserfolg versprechen.
Die bisherigen physikalischen Grenzen der Miniaturisierung lassen sich mit Molekülen, die aus der Biologie bekannt sind, zukünftig weiter nach unten verschieben. Interessant ist insbesondere die DNA – hier nicht als Träger von Erbinformationen, sondern als Gerüst aus Bausteinen, den Basen, die sich chemisch adressieren lassen. Die Bindungen der Basenpaare im DNA-Doppelstrang bilden eine Art Leiter mit sehr regelmäßigem Sprossenabstand von 0,34 nm, wobei das gesamte DNA-Molekül wenige Nanometer bis viele Mikrometer lang sein kann. Erzeugt man also als Grundgerüst ein einzelsträngiges DNA-Molekül bestimmter Basenabfolge – sozusagen eine halbe Leiter – und gibt dazu kürzere DNA-Abschnitte, so genannte Oligonukleotide mit definierter Basenfolge, binden sich diese spontan an passende Stellen des Gerüstmoleküls. Sobald die Oligonukleotide verschiedene chemische Gruppen oder Nanopartikel, beispielsweise aus Gold, Kunststoffen oder Halbleitermaterial, tragen, können diese anhand des Rasters der Basen positioniert werden. Für die meisten der hierfür erforderlichen Arbeiten lassen sich Methoden, die in der Molekularbiologie schon etabliert sind, verwenden, einige befinden sich noch in der Entwicklung.
Am Fraunhofer-Institut für Biomedizische Technik (IBMT) wird zur Zeit eine Methode entwickelt, DNA-Einzelstrang-Moleküle definierter Sequenz an Oberflächen zu synthetisieren und langgestreckt auszurichten. Sie sollen optisch oder elektrisch auslesbare Sensoren tragen, mit denen sich beispielsweise der Inhalt einer Zelle analysieren lässt. Neben Sensoren soll auch ein Verfahren etabliert werden, mit dem Informationen aus der Nanowelt in die makroskopische Welt gelangen. Ein elektrisches Ausleseverfahren scheint hier am aussichtsreichsten, da sich leitfähige Verbindungen durch Metallisierung der DNA herstellen lassen. Im weiteren sind Nanoarrays geplant, um – analog zu den bekannten Mikroarrays – eine Vielzahl von Parametern simultan zu erfassen.
Weitere Informationen www.ibmt.fraunhofer.de
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