DNA wird durch Platinbeschichtung zum Nanodraht

Leitet das strickleiterförmige DNA-Molekül eigentlich elektrischen Strom? Bereits 1962 hatten zwei Wissenschaftler der Universität Bristol einen geringen Stromfluss gemessen; später stellte sich allerdings heraus, dass der Strom durch die Eisschicht geflossen war, die die DNA umgab. Bis heute ist nicht klar, ob Elektronen nur über kurze Distanzen von wenigen Basenpaaren „tunneln“ oder ob sie sich vielleicht auch sprungweise über größere Distanzen fortbewegen können.

Ihre langkettige, robuste Form und die Fähigkeit zur Selbstorganisation beim Aufbau komplexer Netzwerke machen die DNA in jedem Fall zu einem idealen Trägermaterial (einem so genannten „Templat“) für elektrische Drähte mit Durchmessern im einstelligen Nanometerbereich. Um nun eine optimale Leitfähigkeit dieser Drähte zu gewährleisten, gibt es mehrere Möglichkeiten. Man kann die Struktur der DNA selbst verändern, in dem man bestimmte Basen durch andere, metallionenhaltige Basen ersetzt. Oder man versucht, Metallpartikel in engen Abständen an die DNA zu binden und sie so stromleitend zu machen. Den zweiten Ansatz verfolgen die Wissenschaftler am Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden: sie lagern Platinsalze an die DNA an, die dann zu regelmäßigen Platinclusterketten wachsen.

Solche Vorgänge sind in ihren Teilprozessen experimentell praktisch nicht mehr auflösbar, können jedoch mittels theoretischer Simulationen mit immer größerer Treffsicherheit am Computer modelliert werden. In Zusammenarbeit mit der Universität Trieste und dem Imperial College London ist es den Dresdnern auf diese Weise gelungen, nanoelektronische Schaltkreise aus einzelnen metallisierten DNA-Ketten zu bauen. Solche Schaltkreise sind für verschiedene Anwendungen interessant; gemeinsam mit sechs Industrieunternehmen entwickelt das Institut für Werkstoffwissenschaft in einem neu gegründeten Wachstumskern Biosensoren und Katalysatoren.

Am neuen Hochleistungsrechner des Zentrums für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen der Technischen Universität Dresden wird das Projekt von Prof. Wolfgang Pompe und seinen Kollegen zur Ausbildung von nanoelektronischen Strukturen durch die Beschichtung biologischer Trägermaterialien eines der rechenintensivsten überhaupt sein. Ein Beispiel: Alle Vorgänge, die stattfinden, wenn die Metallatome sich im wässrigen Medium an die passenden Basenpaaren der DNA anlagern, müssen über einen Zeitraum von etwa 20 Pikosekunden (1 Pikosekunde entspricht 0,000 000 000 001 Sekunden) simuliert werden können. Für solche Berechnungen soll auch das zukünftige Netzwerk mehrerer Hochleistungsrechner in Deutschland (GRID) genutzt werden, dessen Teil der neue Dresdner Supercomputer sein wird.

Weitere Informationen: Prof. em. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Pompe, Technische Universität Dresden, Institut für Werkstoffwissenschaft, Professur für Materialwissenschaft und Nanotechnik, Tel. 0351 463-31420, pompe@tmfs.mpgfk.tu-dresden.de