Ein internationales Wissenschaftlerteam hat kürzlich einen neuen Nanomotor aus DNA entwickelt. Angetrieben wird es von einem ausgeklügelten Mechanismus, der eine pulsierende Bewegung ermöglicht. Die Forscher planen nun, es mit einem Koppler auszustatten und es als Treiber für komplexe Nanomaschinen zu nutzen. Ihre Forschungsergebnisse wurden am 19. Oktober in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.
Petr Šulc, Assistenzprofessor an der School of Molecular Sciences der Arizona State University und am Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, arbeitete an dem Projekt mit Professor Famulok (Projektleiter) von der Universität Bonn, Deutschland, und Professor Walter von der University of Michigan zusammen.
Šulc nutzte die Computermodellierungswerkzeuge seiner Forschungsgruppe, um Einblicke in das Design und die Funktionsweise dieses Blattfeder-Nanomotors zu gewinnen. Die Struktur besteht aus fast 14.000 Nukleotiden, die die Grundbausteine der DNA bilden.
Šulc erklärt: „Ohne oxDNA, das Computermodell, das unsere Gruppe zum Entwurf von DNA-Nanostrukturen verwendet, wäre es unmöglich gewesen, die Bewegung solch großer Nanostrukturen zu simulieren. Dies ist das erste Mal, dass ein chemisch angetriebener DNA-Nanotechnologie-Motor erfolgreich entwickelt wurde. Wir freuen uns, dass unsere Forschungsmethode zu seiner Untersuchung beigetragen hat, und freuen uns darauf, in Zukunft komplexere Nanogeräte herzustellen.“
Dieser neue Motor ähnelt einem Handgrifftrainer und kann bei regelmäßiger Anwendung die Griffstärke verbessern. Allerdings ist dieser Motor etwa eine Million Mal kleiner. Die beiden Griffe sind durch Federn V-förmig verbunden.
Bei einem Handgrifftrainer werden die Griffe unter dem Widerstand einer Feder zusammengedrückt. Sobald Sie loslassen, drückt eine Feder den Griff zurück in seine Position. „Unser Motor nutzt ein ganz ähnliches Prinzip“, sagt Professor Michael Famulok vom Institut für Lebens- und Medizinwissenschaften (LIMES) der Universität Bonn. „Aber die Griffe werden nicht zusammengedrückt, sondern zusammengezogen.“
Forscher haben einen Mechanismus umgestaltet, ohne den es keine Pflanzen und Tiere auf der Erde gäbe. Jede Zelle ist mit einer Bibliothek ausgestattet. Es enthält die Baupläne für die verschiedenen Arten von Proteinen, die jede Zelle zur Erfüllung ihrer Funktionen benötigt. Möchte eine Zelle ein bestimmtes Protein produzieren, erstellt sie eine Kopie des entsprechenden Bauplans. Dieses Transkript wird von einem Enzym namens RNA-Polymerase produziert.
Der ursprüngliche Bauplan besteht aus langen DNA-Strängen. Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang dieser Stränge und kopiert die gespeicherten Informationen Buchstabe für Buchstabe. „Wir haben die RNA-Polymerase an einem Griff an der Nanomaschine befestigt“, erklärt Famulok, der auch Mitglied der interdisziplinären Forschungsbereiche „Leben und Gesundheit“ und „Materie“ an der Universität Bonn ist. „Zwischen den beiden Griffen haben wir auch einen fest verbundenen DNA-Strang. Die Polymerase greift diesen Strang und kopiert ihn. Sie zieht sich entlang der Kette, und die Teile, die nicht kopiert werden, werden immer kleiner. Dadurch wird der zweite Griff nach und nach an den ersten Griff herangezogen und gleichzeitig die Feder zusammengedrückt.“
Der DNA-Strang zwischen den Henkeln enthält kurz vor dem Ende eine besondere Buchstabenfolge. Diese sogenannte Terminationssequenz signalisiert der Polymerase, die DNA loszulassen. Die Feder kann sich nun wieder entspannen und die Griffe auseinanderziehen. Auf diese Weise befindet sich die Startsequenz der Kette in der Nähe der Polymerase und der molekulare Replikator kann einen neuen Transkriptionsprozess starten und so weiter. „Auf diese Weise können unsere Nanomotoren pulsierende Aktionen ausführen“, erklärt Mathias Centola aus der Forschungsgruppe um Professor Famulok.
Wie andere Motortypen benötigt dieser Motortyp Energie. Die Energie wird durch die „Alphabetsuppe“ der von Polymerasen produzierten Transkripte bereitgestellt. Jeder Buchstabe (Fachbegriff: Nukleotid) hat einen kleinen Schwanz, der aus drei Phosphatgruppen besteht – einem Triphosphat. Um einem bestehenden Satz einen neuen Buchstaben hinzuzufügen, muss die Polymerase zwei Phosphatgruppen daraus entfernen. Dabei wird Energie freigesetzt, die dazu genutzt wird, die Buchstaben miteinander zu verbinden. „Unser Motor nutzt also Nukleotidtriphosphate als Treibstoff. Er kann nur dann weiterlaufen, wenn ausreichend Mengen an Nukleotidtriphosphaten vorhanden sind.“
Die Forscher konnten zeigen, dass sich der Motor problemlos mit anderen Strukturen kombinieren lässt. Dadurch wäre es beispielsweise möglich, über Oberflächen zu wandern – ähnlich wie ein Raubwurm, der sich auf seine charakteristische Weise an einem Ast entlang zieht. „Wir planen auch, eine Kupplung zu produzieren, damit wir die Kraft des Motors nur zu bestimmten Zeiten nutzen und ihn zu anderen Zeiten im Leerlauf laufen lassen können“, erklärte Famlock. Langfristig könnten Motoren zum Kern komplexer Nanomaschinen werden. Es liegt jedoch noch viel Arbeit vor uns, bis wir dieses Stadium erreichen. "
Das Labor von Šulc ist ein hochgradig interdisziplinäres Labor, das statistische Physik und Methoden der Computermodellierung auf ein breites Spektrum von Problemen in den Bereichen Chemie, Biologie und Nanotechnologie anwendet. Die Forschungsgruppe entwickelte neue Multiskalenmodelle zur Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen, insbesondere beim Entwurf und der Modellierung von DNA- und RNA-Nanostrukturen und -Geräten.
„So wie die komplexen Maschinen, die wir täglich nutzen – die Chips in Flugzeugen, Autos und Elektronikgeräten – hochentwickelte computergestützte Designwerkzeuge erfordern, um sicherzustellen, dass sie wie vorgesehen funktionieren, benötigt auch die Molekularwissenschaft dringend Zugang zu solchen Methoden.“ Professorin Tijana Rajh, Dekanin der Fakultät für Molekularwissenschaften, sagte: „Petr Šulc und seine Forschungsgruppe betreiben hochinnovative molekularwissenschaftliche Forschung und nutzen dabei Methoden aus der Computerchemie und der Physik, um DNA- und RNA-Moleküle im Kontext von Biologie und Nanotechnologie zu untersuchen. Unsere junge Fakultät an der Fakultät für Molekularwissenschaften hat außergewöhnliche Ergebnisse erzielt, und Professor Šulc ist ein gutes Beispiel dafür.“
DNA und RNA sind die Grundmoleküle des Lebens. Sie erfüllen eine Vielzahl von Funktionen, einschließlich der Informationsspeicherung und Informationsübertragung in lebenden Zellen. Sie haben auch breite Anwendungsaussichten im Bereich der Nanotechnologie, wo entworfene DNA- und RNA-Stränge zum Aufbau nanoskaliger Strukturen und Geräte verwendet werden können. Es ist ein bisschen so, als würde man mit Lego spielen, nur dass jeder Legostein nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) groß ist. Anstatt jeden Stein dort zu platzieren, wo er hingehört, legt man ihn in eine Kiste und schüttelt ihn herum, bis nur noch die gewünschte Struktur entsteht.
„In diesem Bereich gibt es viele vielversprechende Anwendungen, darunter Diagnostik, Therapie, Molekularrobotik und die Konstruktion neuer Materialien“, sagte Šulc. „Mein Labor hat die Software entwickelt, um diese Bausteine zu entwerfen, und wir arbeiten eng mit experimentellen Gruppen an der University of Arizona und anderen Universitäten in den Vereinigten Staaten und Europa zusammen. Da das Gebiet weiter voranschreitet und wir neue fortschrittliche Designs implementieren und diese erfolgreich im Nanomaßstab durchführen, ist es spannend zu sehen, wie unsere Methoden zum Entwurf und zur Charakterisierung immer komplexerer Nanostrukturen eingesetzt werden.“