DNA-Flechtwerk: Zweidimensionale Kristalle aus DNA-Origami-Bausteinen
DNA ist nicht nur der Träger unserer genetischen Information, DNA ist auch ein hervorragendes Nanobaumaterial, wie Forscher um Ned Seeman vor etwa dreißig Jahren entdeckten. Seeman und seinen Kollegen von der New York University (USA) ist es nun gelungen, aus kreuzförmigen DNA-Plättchen eine erstaunlich großflächige Gitterstruktur herzustellen, die an einen gewebten Stoff erinnert. Wie die Forscher in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, erreichen diese zweidimensionalen Kristalle Abmessungen von etwa zwei mal drei Mikrometern.
Die spezifische Paarung zueinander komplementärer Basen macht DNA zu einem idealen Nanobaustein. So lassen sich ganz gezielt Basensequenzen einbauen, die spezifisch an ihr Gegenstück binden, so genannte „klebrige Enden“ (sticky ends), und über diese Bindungen maßgeschneiderte Strukturen aufbauen. Aus DNA wurden bereits viele Nanostrukturen und „Nanomaschinen“ konstruiert. Einen Aufschwung erfuhr die Technologie vor wenigen Jahren durch einen neuen Dreh: Die von Paul Rothemund entwickelte DNA-Origami-Technik. Ähnlich wie beim Origami, der japanischen Kunst des Papierfaltens, wird dabei ein langer DNA-Einzelstrang durch kurze synthetische DNA-Oligonukleotide in eine nahezu beliebige dreidimensionale Form gefaltet.
Dieser Technik haben sich auch Seeman und seine Kollegen bedient. Sie falteten auf diese Weise die benötigten Bausteine, kreuzförmige DNA-Plättchen. Die Kreuze bestehen aus zwei um 90° gegeneinander verdreht übereinander liegende Streifen, analog zwei Pflasterstreifen, die man kreuzweise übereinander klebt. An den vier Seiten der Kreuze befinden sich mehrere klebrige Enden. Die jeweils einander gegenüber liegenden klebrigen Enden sind dabei identisch. Die Forscher verwendeten zudem zwei verschiedene Sätze der Origami-Kreuze mit verschiedenen klebrigen Enden. Alle klebrigen Enden sind so aufeinander abgestimmt, dass die Kreuze in einem Selbstorganisationsprozess immer abwechselnd aneinander binden - und zwar so, dass immer der untere Streifen eines Kreuzes an den oberen Streifen seines Nachbarn geknüpft wird. So entsteht eine zweidimensionale Struktur, die unter dem Elektronenmikroskop wie ein gitterartig geflochtenes Gewebe aussieht. Die alternierende Bauweise aus nach oben und nach unten gewölbten Kreuzchen ist notwendig, um eine planare Fläche zu erhalten. Willkürlich verknüpfte Kreuzchen führen dagegen häufig zu röhrenförmigen Strukturen.
„Unser neuer Ansatz könnte den Weg für die großtechnische Produktion von Nanostrukturen durch molekulare Selbstorganisationsprozesse ebnen“, hofft Seeman.
Orginalveröffentlichung: Nadrian C. Seeman et al.; "Crystalline Two-Dimensional DNA Origami Arrays"; Angewandte Chemie 2010
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