Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winzige Nanomaschine absolviert erfolgreich Probefahrt

09.04.2018

Wissenschaftler der Universität Bonn und des Forschungszentrums caesar in Bonn haben mit Kollegen aus den USA aus Nanostrukturen eine winzige Maschine konstruiert, die sich auf einem Rad gezielt in eine bestimmte Richtung bewegen kann. Die Forscher verwendeten ringförmige Strukturen aus dem Erbgutmaterial DNA. Die Ergebnisse werden nun im Journal „Nature Nanotechnology“ vorgestellt.

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.


Modell der Nanomaschine: Die beiden ineinandergreifenden Ringe sind gut zu erkennen. In der Mitte befindet sich die T7-RNA-Polymerase.

© Julián Valero/caesar Bonn


Im Labor: Prof. Dr. Michael Famulok (links) und Dr. Julián Valero vom Life & Medical Sciences (LIMES)-Institut der Universität Bonn am Rasterkraftmikroskop.

© Foto: Volker Lannert/Uni Bonn

„Der eine Ring erfüllt die Funktion eines Rades, der andere treibt es wie ein Motor mit Hilfe von chemischer Energie an“, erklärt Prof. Dr. Michael Famulok vom Life & Medicale Sciences (LIMES)-Institut der Universität Bonn.

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. „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.

Klar, die Wissenschaftler können dem winzigen Gefährt nicht mit bloßem Auge bei der Arbeit zusehen. Mit einem Rasterkraftmikroskop, das die Oberflächenstruktur der Nanomaschine abtastete, konnten die Wissenschaftler die ineinandergreifenden DNA-Ringe sichtbar machen. Darüber hinaus zeigte das Team mit Fluoreszenz-Markierungen, dass sich das „Rad“ der Maschine tatsächlich drehte.

Fluoreszierende „Streckenposten“ entlang des Nanoröhrchen-Weges leuchteten auf, sobald das Nano-Einrad sie passierte. Anhand dieser Daten ließ sich auch die Geschwindigkeit des Gefährts berechnen: Eine Umdrehung des Rades dauerte etwa zehn Minuten. Das ist nicht besonders schnell – für die Forscher aber ein großer Schritt. „Die Nanomaschine in die gewünschte Richtung zu bewegen, ist nicht trivial“, sagt Famulok.

Die Bestandteile der Maschine fügen sich automatisch zusammen

Anders als große Maschinen wurde die Nanomaschine der Bonner Wissenschaftler freilich nicht mit dem Schweißbrenner oder dem Schraubenschlüssel zusammengebaut. Die Konstruktion erfolgt nach dem Prinzip der Selbstorganisation. Wie in lebenden Zellen entstehen die gewünschten Strukturen spontan, wenn die entsprechenden Bestandteile zur Verfügung gestellt werden.

„Dies funktioniert wie bei einem imaginären Puzzle“, erläutert Famulok. Jedes Puzzleteilchen ist so gestaltet, dass es mit ganz speziellen Partnern wechselwirken kann. Bringt man genau diese Partner in einem Gefäß zusammen, findet jedes Teilchen seinen Wunschpartner und es entsteht automatisch die gewünschte Struktur.

Mittlerweile haben Wissenschaftler weltweit zahlreiche Nanomaschinen und Nanomotoren entwickelt. Aber bei der Methode von Famuloks Team handelt es sich um ein völlig neuartiges Prinzip. „Das ist ein großer Schritt: Es ist nicht einfach, so etwas in der Größenskala von Nanometern verlässlich zu designen und zu realisieren“, sagt der Wissenschaftler. Sein Team will demnächst noch komplexere Nano-Motor-Systeme entwickeln. „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.

Publikation: Julián Valero, Nibedita Pal, Soma Dhakal, Nils G. Walter and Michael Famulok: A bio-hybrid DNA rotor-stator nanoengine that moves along predefined tracks, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-018-0109-z

Kontakt:

Prof. Dr. Michael Famulok
Life & Medical Sciences (LIMES)-Institut
Universität Bonn
Tel. 0228/731787
E-Mail: m.famulok@uni-bonn.de

Bildzeilen:

Famulok_Lannert_003.JPG: Im Labor: Prof. Dr. Michael Famulok (links) und Dr. Julián Valero vom Life & Medical Sciences (LIMES)-Institut der Universität Bonn am Rasterkraftmikroskop. © Foto: Volker Lannert/Uni Bonn

cover_project_18_reflejo_cat_pressrelease: Modell der Nanomaschine: Die beiden ineinandergreifenden Ringe sind gut zu erkennen. In der Mitte befindet sich die T7-RNA-Polymerase. © Julián Valero/caesar Bonn

Sebastian Scherrer | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: Nanomaschine Nanometer Polymerase RNA Rasterkraftmikroskop dna

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen
20.07.2018 | Universitätsklinikum Heidelberg

nachricht Erwiesen: Mücken können tropisches Chikungunya-Virus auch bei niedrigen Temperaturen verbreiten
20.07.2018 | Bernhard-Nocht-Institut für Tropenmedizin

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics