DNA-Nanomaschinen rücken in greifbare Nähe
DNA-Origami ist eine selbstorganisierende DNA-Struktur, die so programmiert werden kann, dass sich aus Schleifen gewünschte Moleküle bilden. Meist handelt es sich um eine flache Struktur mit einer Seitenlänge von etwa 100 nm und mehr als 200 Andockstellen auf jeder Seite für beliebige DNA-Stränge, Proteine oder Polymere, die in vordefinierten Formen und Mustern stabil an die DNA binden können. Mit Durchmessern von höchstens 50 nm lassen sich aus Nanodots innovative nanoskalige Systeme herstellen. So gelang es dem EU-finanzierte Projekt META (Materials enhancement for technological applications), rechteckige DNA-Origamistrukturen zu immobilisieren, die als Montageplatinen Gold-Nanodots mit einem Durchmesser von 25 nm verbinden und damit die Ausgangsbasis für neue komplexe Nanomaschinen bilden. Zudem wurden Aptamere und andere Biomoleküle auf ausgewählten Stellen der DNA-Platinen assembliert. Mit dieser hybriden, organischen Festphasentechnologie können viele Engpässe überwunden werden, die bislang schnellen Entwicklungen in der molekularen Elektronik entgegenstanden, vor allem im Zusammenhang mit genauen Positionen, bestimmten Ausrichtungen und Stabilität organischer molekularer Halbleiter auf Metall oder Oxid-Transducern. Die Projektpartner von META stellten mittels Elektronenstrahllithografie Gold-Nanodots und Thiollinker her, um die DNA-Origami-Platinen auf die Gold-Nanoelektroden zu heften. Demnächst sollen geeignetere Elektrodenmaterialien wie Platin, Chrom, Kohlenstofffasern und Graphen näher untersucht werden. Mit Dichtefunktionsanalysen und klassischen molekulardynamischen Ansätzen untersuchten die Projektmitglieder auch die Wechselwirkung zwischen kurzen Peptidsequenzen und spezifischen Materialien wie Titandioxid und Graphit-Nano-Kohlenstoff. Die Untersuchung materialspezifischer Peptidsequenzen könnte sich als hervorragendes Instrument erweisen, um Festkörpermaterialien an vordefinierten Positionen mit gewünschter Ausrichtung zu befestigen. Schließlich prüfte das Team eine Berechnungsmethode für die Geschwindigkeit der Ladungsübertragung entlang und über DNA-Platinen. Ein weiterer Forschungsansatz waren die besonderen Eigenschaften an Grenzflächen keramischer Oxid-Nanostrukturen. So können Kenntnisse zum Zusammenhang zwischen Ionenleitfähigkeit und physikochemischen Eigenschaften im Nanomaßstab die Entwicklung von Mikro-Festoxid-Brennstoffzellen beschleunigen. Die Forscher stellten mittels gepulster Laserabscheidung Dünnschicht-Oxidschichten her. Mit elektrochemischer Belastungsmikroskopie und Neutronenspektroskopie konnte das Team im Nanomaßstab die Leitfähigkeit lokaler Ionen analysieren und daraus wichtige Informationen zur Ionendynamik über ein breites Längen- und Zeitspektrum bei Schlüsselprozessen in Energieumwandlern (Brennstoffzellen) gewinnen. Die Projektarbeit lieferte völlig neue Konzepte zur Entwicklung von Mikro- und Nanomaschinen. META war ein Gemeinschaftsprojekt zwischen der EU und den Vereinigten Staaten.
Schlüsselbegriffe
DNA-Nanomaschinen, Nanodots, molekulare Sensoren, DNA-Origami, Peptidsequenzen
