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 Betazellfunktion im Tiermodell wiederhergestellt: Neue Wirkstoffkombination könnte Diabetes-Remission ermöglichen
21.02.2020 | Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt

nachricht Darmkrebs: Erhöhte Lebenserwartung dank individueller Therapien
20.02.2020 | Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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: Ultraschnelles Schalten eines optischen Bits: Gewinn für die Informationsverarbeitung

Wissenschaftler der Universität Paderborn und der TU Dortmund veröffentlichen Ergebnisse in Nature Communications

Computer speichern Informationen in Form eines Binärcodes, einer Reihe aus Einsen und Nullen – sogenannten Bits. In der Praxis werden dafür komplexe...

Im Focus: Fraunhofer IOSB-AST und DRK Wasserrettungsdienst entwickeln den weltweit ersten Wasserrettungsroboter

Künstliche Intelligenz und autonome Mobilität sollen dem Strukturwandel in Thüringen und Sachsen-Anhalt neue Impulse verleihen. Mit diesem Ziel fördert das Bundeswirtschaftsministerium ab sofort ein innovatives Projekt in Halle (Saale) und Ilmenau.

Der Wasserrettungsdienst Halle (Saale) und das Fraunhofer Institut für Optronik,
Systemtechnik und Bildauswertung, Institutsteil Angewandte Systemtechnik...

Im Focus: A step towards controlling spin-dependent petahertz electronics by material defects

The operational speed of semiconductors in various electronic and optoelectronic devices is limited to several gigahertz (a billion oscillations per second). This constrains the upper limit of the operational speed of computing. Now researchers from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg, Germany, and the Indian Institute of Technology in Bombay have explained how these processes can be sped up through the use of light waves and defected solid materials.

Light waves perform several hundred trillion oscillations per second. Hence, it is natural to envision employing light oscillations to drive the electronic...

Im Focus: Haben ein Auge für Farben: druckbare Lichtsensoren

Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie arbeiten mit Lichtsensoren, die schon jetzt bei vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken sind. Zukünftig könnten diese Sensoren auch bei der Telekommunikation eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Datenübertragung mittels Licht ermöglichen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) am InnovationLab in Heidelberg ist hier ein entscheidender Entwicklungsschritt gelungen: druckbare Lichtsensoren, die Farben sehen können. Die Ergebnisse veröffentlichten sie jetzt in der Zeitschrift Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201908258).

Neue Technologien werden die Nachfrage nach optischen Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen erhöhen, darunter auch die Kommunikation mithilfe von...

Im Focus: Einblicke in die Rolle von Materialdefekten bei der spin-abhängigen Petahertzelektronik

Die Betriebsgeschwindigkeit von Halbleitern in elektronischen und optoelektronischen Geräten ist auf mehrere Gigahertz (eine Milliarde Oszillationen pro Sekunde) beschränkt. Die Rechengeschwindigkeit von modernen Computern trifft dadurch auf eine Grenze. Forscher am MPSD und dem Indian Institute of Technology in Bombay (IIT) haben nun untersucht, wie diese Grenze mithilfe von Lichtwellen und Festkörperstrukturen mit Defekten erhöht werden könnte, um noch größere Rechenleistungen zu erreichen.

Lichtwellen schwingen mehrere hundert Trillionen Mal pro Sekunde und haben das Potential, die Bewegung von Elektronen zu steuern. Im Gegensatz zu...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungen

Gemeinsam auf kleinem Raum - Mikrowohnen

19.02.2020 | Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage am 14. und 15. März 2020: „Mach es einfach!“

12.02.2020 | Veranstaltungen

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

Globale Datenbank für Karstquellenabflüsse

21.02.2020 | Geowissenschaften

Leopoldina-Symposium: „Mission – Innovation“ 2020

21.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Langlebige Fachwerkbrücken aus Stahl einfacher bemessen

21.02.2020 | Architektur Bauwesen

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