Winzige Nanomaschine aus DNA Erfolgreiche Probefahrt - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Winzige Nanomaschine aus DNA

Erfolgreiche Probefahrt

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Modell der Nanomaschine: Die beiden ineinandergreifenden Ringe sind gut zu sehen. In der Mitte befindet sich die T7-RNA-Polymerase (Bild: © Julián Valero/caesar Bonn)
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Wissenschaftler konstruieren aus Nanostrukturen eine winzige Maschine, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann. Die Forscher verwenden dazu ringförmige Strukturen aus dem Erbgutmaterial DNA.

Zu den Nanomaschinen zählen Strukturen aus komplexen Proteinen und Nukleinsäuren, die aus chemischer Energie gespeist gerichtete Bewegungen vollführen können. Das Prinzip ist aus natürlichen Vorbildern bekannt: Auch Bakterien bewegen sich zum Beispiel mit einer Geißel vorwärts. Das Team der Universität Bonn, des Forschungszentrums Caesar in Bonn und der University of Michigan (USA) nutzte Strukturen aus DNA-Nanoringen. Die zwei Ringe greifen wie bei einer Kette ineinander. „Der eine Ring erfüllt die Funktion eines Rades, der andere treibt es wie ein Motor mit Hilfe von chemischer Energie an“, erklärt Prof. Michael Famulok vom Life & Medicale Sciences (LIMES)-Institut der Universität Bonn.

Ein Enzym sorgt für den Antrieb

Das winzige Gefährt misst gerade einmal rund 30 Nanometer (Millionstel Millimeter). Den „Treibstoff“ stellt die so genannte „T7 RNA Polymerase“ bereit. An den als Motor dienenden Ring gekoppelt synthetisiert dieses Enzym anhand der DNA Sequenz einen RNA-Strang, und nutzt dabei frei werdende chemische Energie für die Drehbewegung des DNA Ringes. „Mit fortschreitender Strecke wächst der RNA-Strang wie ein Bindfaden aus der RNA Polymerase heraus“, berichtet Erstautor Dr. Julián Valero aus Famuloks Team. Diesen immer länger werdenden RNA-Faden, der quasi als Abfallprodukt des Antriebs herausragt, nutzen die Forscher, um das winzige Mobil entlang von Markierungen auf einer Nanoröhrchen-Strecke zu halten.

Länge der Probefahrt beträgt 240 Nanometer

An diesem Faden befestigt legte die Einrad-Maschine auf ihrer Probefahrt etwa 240 Nanometer zurück, in einer gemächlichen Geschwindigkeit von 10 Minuten pro Umdrehung. „Das war ein erster Aufschlag“, sagt Famulok. „Die Strecke lässt sich beliebig verlängern.“ Doch nicht nur die Weglänge wollen die Forscher als nächsten Schritt ausbauen, es sind auch kompliziertere Herausforderungen auf der Teststrecke geplant. An eingebauten Abzweigungen, soll sich die Nanomaschine entscheiden, welchen Weg sie einschlägt. „Wir können mit unseren Methoden vorbestimmen, welche Abzweigung die Maschine nehmen soll“, blickt Valero in die Zukunft.

Logische Schritte anhand von Molekülbewegung

Bei der Methode von Famuloks Team handelt es sich um ein völlig neuartiges Prinzip. „Es handelt sich dabei um Grundlagenforschung“, sagt Famulok. „Wo sie hinführt, ist jetzt noch nicht genau abzusehen.“ Mit etwas Phantasie sind als mögliche Anwendungen zum Beispiel Computer denkbar, die logische Schritte anhand von Molekülbewegungen vollziehen. Außerdem könnten winzige Maschinen Medikamente durch die Blutbahn zielgenau zu den Wirkorten bringen. „Aber das sind noch Zukunftsvisionen“, sagt Famulok.

www.uni-bonn.de

www.nature.com/articles/s41565–018–0109-z

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