Kräusel sich, wer kann

News: Kräusel sich, wer kann

Die Natur liebt die Unordnung, und so ist es nur eine Frage der Zeit, wann sich das sorgsam zu einem Häuflein zusammengerechte Laub wieder kreuz und quer im Garten verteilt. Auch die Träger der Erbinformation, die DNA-Moleküle, mögen es eher wirr und durcheinander. Das lässt sich ausnutzen, um unterschiedlich lange DNA-Stränge nach ihrer Größe zu sortieren, wie Wissenschaftler nun herausfanden.

Thorsten Krome

Wer Locken hat, kennt das Problem: Nasses Haar lässt sich mit Kamm, Fön und Chemie noch halbwegs bändigen. Doch irgendwann verliert auch das stärkste Haarspray seine Wirkung, und der Schopf kräuselt sich wie eh und je, bis maximale Unordnung erreicht ist – das System also seine größtmögliche Entropie erreicht hat.

Was im Großen gilt, findet auch im Kleinen seine Entsprechung, und so streben auch die fadenförmigen Moleküle der Erbsubstanz DNA eine möglichst wirre Struktur an. Denn jedes bewegliche Glied des Moleküls ermöglicht dem Ganzen wieder eine Fülle neuer Formen einzunehmen, wobei gilt: je mehr Formen, desto höher die erreichbare Entropie. Da alle Systeme dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gehorchen, der in abgeschlossenen Systemen gerade solche Prozesse favorisiert, welche die Entropie erhöhen, können auch die DNA-Moleküle ihrem natürlichen Zwang nicht widerstehen.

Wie ein Gummiband, das sich nur mit Kraftaufwand auseinander ziehen lässt, da sich dabei die Moleküle parallel zueinander ausrichten und die Entropie sinkt, ist auch beim Träger der Erbinformation eine gewisse Kraft aufzubringen, um ihn zu strecken. Wissenschaftler vermuteten bereits, dass gerade diese Entropiekräfte die DNA abbremsen, wenn sie sich von einem elektrischen Feld getrieben durch das feinmaschige Netzwerk eines wässrigen Gelfilms schlängelt, wie es Forscher tagtäglich in Laborexperimenten beobachten. Dennoch war es bislang alles andere als leicht, die Entropiekräfte an solchen Systemen systematisch zu messen.

Ein Schritt in diese Richtung gelang nun Stephen Turner, Mario Cabodi und Harold Craighead von der Cornell University in Ithaca. Die Forscher platzierten in einem schmalen Kanal auf einem Chip einen Wald aus 35 Nanometer breiten und etwa 60 Nanometer hohen Säulen. Hierein saugten sie eine wässrige Lösung mit DNA-Molekülen, indem sie die negativ geladene DNA mit einem elektrischen Feld anzogen. Innerhalb des Säulenwaldes mussten sich die Moleküle strecken, damit sie das Hindernis durchqueren konnten. Die dazu nötige Kraft lieferte das elektrische Feld.

Als die Forscher das Feld jedoch wieder abschalteten, beobachteten sie, wie längere Moleküle, deren eines Ende noch im Freien baumelte, sich schnell wieder kräuselten und aus der Säulenstruktur zurückzogen. Den Weg hinaus meisterten die Moleküle dabei in einigen Zehntel einer Sekunde, und je größer der außenliegende, freie Teil war, desto schneller schoss der Strang ins Freie. Die Moleküle, die jedoch tief im Säulenwald steckten, konnten sich nicht mehr befreien, sie blieben in der Struktur hängen.

Die Forscher schlagen deshalb vor, auf diese Weise DNA-Fragmente nach ihrer Größe zu sortieren. Denn während sich die kleineren Stücke schnell in die Säulenstruktur saugen lassen, verschwindet bei den größeren nur die Spitze. Nach Abschalten des elektrischen Feldes können sich letztere wieder befreien. Indem mehrmals hintereinander ein elektrisches Feld von unterschiedlicher Stärke und Dauer angelegt wird, lassen sich so bestimmte Moleküllängen einfangen.