Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Teleskopschiene für Nanomaschinen

20.04.2018

Mithilfe der DNA-Origami-Technik gefaltete Nanostäbe lassen sich mit Goldpartikeln als Zahnradmotoren gegeneinander verschieben

Für Nanomaschinen gibt es nun eine neue Komponente. Forscher um Maximilian Urban und Laura Na Liu vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart haben eine Teleskopschiene im Nanomaßstab entwickelt, die von einem Goldpartikel als Zahnradmotor auseinandergeschoben wird.


Am Rad gedreht: Die Goldnanopartikel sind über DNA-Brücken mit den Stäben verbunden, die mithilfe der DNA-Origami-Technik gefaltet sind. Um schrittweise zu rotieren, brauchen sie als Treibstoff die geeignete Kombination von DNA-Schnipseln, die jeweils die richtigen DNA-Brücken lösen und knüpfen.

© MPI für Intelligente Systeme

Die Forscher konstruierten das künstliche Nanosystem mithilfe einer Technik namens DNA-Origami und ahmten dabei einen Apparat nach, den Zellen für ihre Teilung benötigen. Mit der nanoskopischen Teleskopschiene steht in der Nanotechnologie eine neue Antriebsform etwa für Nanoroboter zur Verfügung.

Bei der Zellteilung ist eine ausgeklügelte Nanomaschinerie am Werk. Gleich zu Beginn des Prozesses schieben Motorproteine Mikrotubuli – das sind aus Proteinen geformte Nanoröhrchen – zum Spindelapparat auseinander. An diesem Proteingerüst wandern dann die Chromosomen eines Paares zu den beiden Polen, damit aus einem Zellkern zwei entstehen.

„Wir möchten die verschiedenen Funktionen erforschen, die natürliche Systeme erfüllen können – in diesem Fall molekulare Motoren“, sagt Laura Na Liu, die am Stuttgarter Max-Planck-Institut eine Forschungsgruppe leitet. Ihrem Team, dem neben den Forschern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme Wissenschaftler der Universitäten Heidelberg und Stuttgart angehörten, hat nun ein Nanobauteil konstruiert, das genauso arbeitet wie zwei Mikrotubuli, die von Motorproteinen wie gegeneinander bewegt werden, um eine längere Nanofaser zu bilden.

Ein Fernziel: molekulare Fabriken für Nanoroboter

„Unsere Motivation ist es, etwas nachzubauen – denn nur dann, wenn man etwas nachahmt, kann man es wirklich verstehen“, sagt Maximilian Urban, der in er Forschungsgruppe von Laura Na Liu promoviert. Zudem streben die Wissenschaftler Anwendungen in der Nanotechnologie etwa in der Nanomedizin an, die allerdings noch weit in der Zukunft liegen: „Wir möchten künstliche molekulare Fabriken bauen, in denen wir Nanoroboter mit effektiver Sensorik und Rückkopplungskontrolle herstellen können, so dass sie Medikamente transportieren und dorthin liefern können, wo sie gebraucht werden, zum Beispiel zu einer Krebszelle“, erklärt Maximilian Urban.

Aus DNA gefaltet, mit DNA angetrieben

Die Teleskopschienen biologischer Zellen imitieren die Stuttgarter Forscher mithilfe der DNA-Origami-Technik. „Wir nehmen schlaffe DNA-Stränge und falten sie – ähnlich der japanischen Kunst, Papier in Objekte zu falten", sagt Laura Na Liu. Das DNA-Origami stellte der US-amerikanische Forscher Paul Rothemund im Jahr 2006 vor.

Die Forscher um Laura Na Liu und Maximilian Urban legen auf diese Weise DNA-Stränge zu Bündeln zusammen und formen so die beiden Stäbe, die sie wie Schienen gegeneinander verschieben möchten. Dabei sorgen sie dafür, dass aus den starren DNA-Bündeln in genau vorgegebener Reihenfolge unterschiedliche DNA-Stücke wie Fransen heraushängen.

An die DNA-Fransen können jeweils zwei Nanokristalle aus Gold zwischen zwei Nanostäben andocken, die als Zahnräder wirken und die Stäbe gegeneinander verschieben. Denn die goldenen Nanopartikel haben die Forscher ebenfalls mit hunderten von DNA-Fäden beschichtet. „Sie stehen ab, als würden dem Nanokristall die Haare zu Berge stehen“, sagt Maximilian Urban.

Um die goldenen Nanopartikel zu drehen und die DNA-Stäbe auf diese Weise zu bewegen, nutzen die Forscher einen Trick: DNA-Schnipsel, die als Gegenstücke zu den verschiedenen DNA-Fransen der Nanostäbe passen, können DNA-Brücken zwischen den Nanostäben und den Goldpartikeln lösen und knüpfen.

Wenn die Forscher also die passenden in Wasser gelösten DNA-Schnipsel zu der Nanoteleskopschiene geben, bricht jeweils eine Bindung der Goldpartikel zu jedem DNA-Stab und an den jeweils benachbarten Positionen entstehen neue. Für das Ensemble wählten die Forscher nun genau so, dass sich der Goldkristall dreht und die DNA-in entgegengesetzte Richtungen drückt.

Mögliche Komponenten einer künstlichen Zelle

Mit dem neuen Bauteil erweitern die Forscher die Palette möglicher Komponenten von Nanomaschinen, zu denen sie selbst zum Beispiel schon einen ganz ähnlich wie die Zahnräder der Teleskopschiene funktionierenden Nanoläufer beigesteuert haben. Möglicherweise könnten aus solchen Nanobauteilen künftig auch einmal synthetische Zellen, die wie biologische Zellen Stoffwechsel betreiben, konstruiert werden.

„Die Frage ist noch nicht ganz geklärt, wie wir künstliche Zellen mit allen künstlichen Komponenten nachbauen können." Wenn der Gerätepark der DNA-basierten Nanotechnologie einmal vielfältig genug ist, können Forscher diese Frage vielleicht klären – indem sie versuchen, die Komponenten zu einer Zelle zusammenzusetzen.


Ansprechpartner


Dr. Laura Na Liu
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart

+49 711 689-1838

laura.liu@is.mpg.de

Linda Behringer

Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart

+49 711 689-3552

linda.behringer@is.mpg.de


Originalveröffentlichung
Maximilian J. Urban, Steffen Both, Chao Zhou, Anton Kuzyk, Klas Lindfors, Thomas Weiss und Laura Na Liu

Gold nanocrystal-mediated sliding of doublet DNA origami filaments

Nature Communications, 13. April 2018; DOI: 10.1038/s41467-018-03882-w

Quelle

Dr. Laura Na Liu | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Weitere Informationen:
https://www.mpg.de/12013208/teleskopschiene-nanotechnologie-dna-origami

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizin Gesundheit:

nachricht „Small meets smaller“ – Nanopartikel beeinflussen Schimmelpilzinfektion der Atemwege
05.07.2018 | Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Goldstandard für die Messung von Schmerzen
03.07.2018 | Universitätsklinikum Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizin Gesundheit >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Im Focus: Magnetic vortices: Two independent magnetic skyrmion phases discovered in a single material

For the first time a team of researchers have discovered two different phases of magnetic skyrmions in a single material. Physicists of the Technical Universities of Munich and Dresden and the University of Cologne can now better study and understand the properties of these magnetic structures, which are important for both basic research and applications.

Whirlpools are an everyday experience in a bath tub: When the water is drained a circular vortex is formed. Typically, such whirls are rather stable. Similar...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

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

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungsnachrichten

Maschinelles Lernen: Neue Methode ermöglicht genaue Extrapolation

13.07.2018 | Informationstechnologie

Fachhochschule Südwestfalen entwickelt innovative Zinklamellenbeschichtung

13.07.2018 | Materialwissenschaften

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