Do-It-Yourself-Nanotechnologie

Während Forscher bereits Atome manipuliert haben, um Buchstaben klein genug zu machen, um alle Wörter der Encyclopedia Britannica auf einen Stecknadelkopf zu passen, und rudimentäre molekulare Computer und Maschinen zusammengebaut haben, bleiben diese Leistungen Neuheiten, deren Herstellung von schwierigen und teuren Methoden abhängt.

Jetzt Paul Rothemund , ein Informatiker am Caltech mit einem Hintergrund in Biologie, hat eine relativ kostengünstige Methode entwickelt, um mit DNA schnell beliebige Formen und Muster zu entwerfen und zu bauen – und, wie er sagt, auch für Gymnasiasten einfach zu bedienen ist. Da eine Vielzahl von Molekülen und Nanopartikeln mit DNA verknüpft werden können, könnte diese Technik eine Möglichkeit sein, so unterschiedliche Komponenten wie Proteine ​​und halbleitende Nanoröhren schnell zu bemustern, was möglicherweise zu winzigen elektronischen Geräten oder Geräten für die Untersuchung von Zellen mit einer noch nie dagewesenen Detailgenauigkeit führen könnte.

[ Klicken Sie hier für Bilder einiger dieser selbstorganisierten DNA-Formen.]



Es ist wirklich eine spektakuläre Arbeit. Ich freue mich riesig darüber, sagt William Shih , Professor für biologische Chemie und molekulare Pharmakologie an der Harvard Medical School, der nun daran arbeitet, Rothemunds Technik auf den Bau dreidimensionaler Strukturen auszuweiten. Rothemunds Arbeit, sagt er, habe das kleine Gebiet der DNA-Nanotechnologie genommen und es zu einem Mainstream-Tool gemacht, indem es ein oder zwei Größenordnungen billiger und einfacher gemacht wurde.

Nadrian Seeman , der Chemiker der New York University, der Pionierarbeit bei der Verwendung von DNA für die Konstruktion komplexer Formen geleistet hat, sagt: Durch die Vergrößerung des Maßstabs ist er in der Lage, kompliziertere und größere Muster zu erzeugen, als dies mit früheren Ansätzen möglich war. Dies ist ein aufregender Fortschritt, der die Musterbildung dieser Größenordnung wahrscheinlich revolutionieren wird.

Bei Rothemunds Methode schlängelt sich ein langer DNA-Strang hin und her, bis er eine gewünschte Form annimmt. Der Schlüssel dazu, dass sich die DNA auf diese Weise bildet und sie an Ort und Stelle hält, sind kurze DNA-Stapel mit Sequenzen, die so ausgewählt sind, dass sie an bestimmte Teile des langen Strangs binden. Rothemund teilt den langen Strang in Abschnitte; dann könnte eine Heftklammer beispielsweise an den Abschnitten 86 und 112 befestigt werden, sie zusammenbringen und bewirken, dass sich der lange Strang faltet. Ein paar hundert einzigartige Klammern können die DNA in die richtige Form bringen.

Ein Computerprogramm kümmert sich darum, die Sequenzen zu identifizieren, die die Heftklammern haben müssen. Ich entwerfe [die Struktur], die ich am Computer haben möchte, sagt Rothemund. Es spuckt einen Satz von 250 DNA-Sequenzen aus. Ich bestelle sie; Sie kommen mit der Post in einem Bündel kleiner Röhrchen. Ich mische sie [zusammen mit dem langen DNA-Strang] zusammen, füge etwas Salz hinzu, erhitze es zum Sieden und kühle es auf etwa Raumtemperatur ab, und dann ist es fertig. Sobald sie miteinander vermischt sind, fügen sich die DNA-Stränge zu der gewünschten Struktur zusammen.

Solche Selbstmontageverfahren können verwendet werden, um jede Form oder jedes Muster mit einem Durchmesser von 100 Nanometern oder weniger und mit Merkmalen im Abstand von etwa 6 Nanometern herzustellen. Im Vergleich dazu ist ein rotes Blutkörperchen etwa 7.000 Nanometer groß. Ein Artikel, der Rothemunds Arbeit beschreibt, erscheint heute in der Zeitschrift Natur demonstriert die Vielseitigkeit der Technik mit Bildern von Smileys, Quadraten, Dreiecken und Sternen (hier klicken). Aber Rothemund kann diese Formen auch mit komplizierten Mustern versehen – zum Beispiel hat er eine Karte der westlichen Hemisphäre im Maßstab 1:200 Billionen gezeichnet, die in eine Zelle passen könnte.

Der Entwurf jeder Struktur dauerte laut Rothemund etwa eine Woche. Danach bauen sich Billionen von Kopien in wenigen Stunden selbst zusammen – diese Produktionsgeschwindigkeit ist eine der Eigenschaften, die die Selbstmontage so attraktiv macht.

Im Moment ist die Technik jedoch eine Lösung auf der Suche nach dem Problem. Rothemund und andere wie Shih erwarten jedoch bald praktische Anwendungen, da die Forscher lernen, wie einfach die Technik ist und Wege finden, sie auf spezifische Probleme anzuwenden. Eine Möglichkeit besteht darin, elektronische Geräte in kleinerem Maßstab zu strukturieren, als dies mit heutigen optischen Lithographieverfahren möglich ist. Thomas LaBean , ein Chemiker und Informatiker an der Duke University, der eine andere Allzweck-DNA-Selbstorganisationstechnik entwickelt hat, die etwas schwieriger ist und eine geringere Auflösung hat als die von Rothemund, entwickelt mit DNA gemusterte Einzelelektronentransistoren, die als Komponenten dienen könnten für so ein Gerät.

Es bleiben jedoch noch erhebliche Herausforderungen, bevor funktionierende Geräte erscheinen, die diese Methode verwenden. Bei der Selbstmontage gebe es eine inhärente Fehlerquote, sagt Shih von Harvard. Im Gegensatz zu heutigen Computern müssen selbstgebaute Computer beispielsweise nicht funktionierende Komponenten erkennen und umgehen. Außerdem werden für viele Anwendungen größere Muster erforderlich sein, als Rothemund bisher erstellt hat. Eine mögliche Lösung für dieses Problem, die Rothemund bereits mit begrenztem Erfolg versucht hat, besteht darin, kleinere Formen mit DNA-Strängen zu kombinieren, ähnlich wie Zellen zusammenkommen, um einen Organismus zu bilden, erklärt er.

Auch wenn die neue Technik für Labore erschwinglich ist, ist sie für die Herstellung von Schüttgütern noch nicht billig genug. Die bereits demonstrierte Selbstorganisation könnte jedoch für den Bau von Nanoarrays praktisch sein, die den genauen Inhalt einzelner Zellen messen können, sagt Shih, so dass Biologen die Rolle einzelner Zellen, beispielsweise in einem Nervensystem, besser lernen können.

Tatsächlich ist vielleicht noch nicht an die beste Anwendung gedacht worden. Ich fühle mich nicht entmutigt, dass wir dafür noch keine Superkiller-Anwendungen gefunden haben, sagt Shih. In der Lage zu sein, Billionen von molekular präzisen Geräten zusammenzubauen, ist etwas, das wir einfach nicht konnten. Und jetzt haben wir plötzlich diese Methode, mit der wir das zu einem erschwinglichen Preis tun können. Es ist nicht offensichtlich, was diese Auszahlungen sein werden, aber wir alle haben das Gefühl, dass sie da sind.

Lloyd Smith , ein Chemiker von der University of Wisconsin, Madison, und Autor eines Kommentars zur Arbeit in Natur , schrieb, Wir sind jetzt vielleicht mehr durch unsere Vorstellungskraft eingeschränkt als durch unsere Fähigkeiten.

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