Biochemische Reaktion treibt Nanomechanik

News: Biochemische Reaktion treibt Nanomechanik

Wie kann man biochemische Reaktionen sichtbar machen? Schweizer Wissenschaftler haben dazu eine simple, aber verblüffende neue Methode entwickelt, durch die bestimmte molekulare Vorgänge in eine detektierbare nanomechanische Bewegung umgesetzt werden. Die Forscher entdeckten, dass durch die Anlagerung von DNA-Einzelsträngen an entsprechende Rezeptoren auf winzigen Siliziumstreifen sich diese "Finger" verbiegen lassen. Die direkte Transformation biochemischer Reaktionen in nanomechanische Bewegungen könnte für die Entwicklung von Kleinst-Robotern oder zum Nachweis von Defekten im Erbgut genutzt werden.

Die Wissenschaftler des IBM Forschungslaboratoriums Zürich und der Universität Basel nutzten in ihrem neuen Verfahren die als Hybridisierung bezeichnete Basenpaarung zwischen zwei Einzel-DNA-Strängen (Science vom 14. April 2000). Kern des Instrumentes ist eine Reihe von Silizium-Kantilevern, die in einer mit Pufferlösung gefüllten Kammer montiert sind. Die Kantilever sind 500 Mikrometer lang, 100 Mikrometer breit, weniger als einen Mikrometer dick und werden auf einer Seite mit bestimmten Rezeptoren beschichtet. Injiziert man eine Substanz, die mit den Rezeptoren reagiert, docken Moleküle am Kantilever an. Wird jeder Kantilever mit andern Rezeptoren beschichtet, können sich verschiedene Substanzen in der gleichen Lösung an entsprechenden Rezeptorschichten anlagern. Die Erhöhung der molekularen "Packungsdichte" auf dem Kantilever führt zu Oberflächenspannung und damit zur Verbiegung des Kantilevers. Die Verbiegung in der Größenordnung von 10 – 20 Nanometern kann mit einem Laserstrahl nachgewiesen werden.

"Die Möglichkeit, Biologie zur Erledigung von spezifischen mechanischen Aufgaben auf der Nanometerskala mit Hilfe von Siliziumtechnik zu nutzen, eröffnet einen völlig neuen Weg zum autonomen Betrieb von Nanomaschinchen ohne Energiezufuhr oder Computersteuerung von außen. Wir haben eine Methode gefunden, in der DNA die Arbeit verrichtet. Wir benötigen so für den Betrieb von winzigen Maschinen weder Batterien noch Motoren oder andere Hilfsmittel dieser Art", erklärt James Gimzewski aus Zürich. So könnten beispielweise extrem kleine Ventile, die auf spezifischen DNA-Code oder auf biochemische Effekte anderer Moleküle reagieren, in der Krebsbehandlung Anwendung finden. "Die Ventile könnten chemisch so programmiert werden, dass sie sich nur öffnen, wenn sie biochemische Signale von einem anvisierten Tumortyp erhalten. Dies würde die richtige Therapie am richtigen Ort mit minimalen Nebenwirkungen und ohne chirurgische Eingriffe ermöglichen". Obwohl die Idee wie Science Fiction klingt, wird weltweit an der Realisierung solcher Pläne gearbeitet. Gestern unterzeichnete die NASA ein entsprechenden Forschungsabkommen mit dem Nationalen US-Krebsforschungsinstituts NCI.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 12.8.1998
"Ein Selbst-Baukasten aus DNA"
Spektrum Ticker vom 21.7.1999
"DNA unter Strom"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 9.4.1999
"DNA: nur Strick- oder auch Leiter?"
Spektrum der Wissenschaft 11/98, Seite 70
"Rechnen mit DNA"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)