Lebende Zellen sind voll mit winzigen molekularen Maschinen, die dort zahlreiche Aufgaben erfüllen: vom Wackeln der Geißel eines Bakteriums bis zur Produktion von ATP-Molekülen, den Energieträgern einer Zelle. Nun ist es Biophysikern der Technischen Universität München gelungen, außerhalb einer Zelle einen winzigen, vollständig aus DNA-Strängen bestehenden Motor zu bauen, der kurzzeitig Energie speichern kann, indem er eine DNA-»Feder« aufwickelt.

Es ist nicht der erste DNA-Nanomotor, aber »sicherlich der erste, der tatsächlich messbare, mechanische Arbeit leistet«, sagt Hendrik Dietz, Physiker und Professor für molekulare Robotik an der TU München, dessen Team die Ergebnisse jetzt in »Nature« veröffentlicht hat. Die Technik reiht sich ein in eine wachsende Liste von DNA-Origami-Tricks, die zum Aufbau von Strukturen auf molekularer Ebene verwendet werden. Dietz schwebt vor, dass sich damit eines Tages winzige DNA-Nanofabriken konstruieren lassen, die dann in der chemischen Synthese oder der zielgerichteten Verabreichung von Medikamenten Anwendung finden könnten.

Münchener entwickelten DNA-Origami-Technik weiter

Dietz' Arbeitsgruppe ist weltweit führend in der Entwicklung und Anwendung der DNA-Origami-Technik. Dabei werden zunächst einzelsträngige DNA-Schleifen in Bakterien herangezüchtet und in einer Lösung mit kurzen Strängen synthetischer DNA vermischt. Die kurzen Stücke verbinden sich mit den langen Strängen und zwingen sie, sich in die gewünschte Form zu falten. Wählt man alle Bauelemente geschickt aus, setzt sich das Puzzle im Reagenzglas quasi von allein zusammen. Seit der ersten Demonstration dieser Technik im Jahr 2006 durch Paul W. K. Rothemund vom California Institute of Technology haben die Münchener das Prinzip weiterentwickelt und immer komplexere DNA-Origamis gebaut.

Die neu konzipierten DNA-Nanomotoren arbeiten mit Ratschenmechanismen, ähnlich den Zahnrädern in Uhrwerken, die Drehungen in eine Richtung, aber nicht in die andere zulassen. Wie alles andere in der Zelle werden auch sie durch die brownsche Bewegung – die ständige, zufällige Bewegung von Molekülen und anderen Teilchen im Zytoplasma – fortwährend durcheinandergewirbelt. Wenn Teilchen aneinanderstoßen, geben sie sich gegenseitig einen »Energiekick«.

Die Forscher bauten für die Motoren dreieckige Plattformen aus DNA, aus deren Mitte jeweils ein Stab herausragte. Sie klebten diese etwa 30 mal 40 Nanometer großen Strukturen auf eine Glasoberfläche und fügten lange DNA-Arme hinzu, die so an den Plattformen befestigt waren, dass sie sich um den Stab drehen konnten.

Brownsche Bewegung treibt Nanomotoren an

Um einen Ratscheneffekt zu erzeugen, versahen sie die Plattformen mit Unebenheiten, die diese Drehung erschwerten. Nur die durch die brownsche Bewegung ausgelösten Stöße ermöglichten es den Armen, die Unebenheiten zu überwinden und sich zu drehen, in der Regel um eine halbe Umdrehung.

Ohne weiteres Eingreifen würde die Drehung willkürlich hin und her gehen. Deshalb tauchte das Team zusätzlich zwei Elektroden in die Lösung und ließ einen elektrischen Wechselstrom fließen. Die wechselnde Richtung der Spannung veränderte die Energielandschaft, der die langen DNA-Arme ausgesetzt waren, und machte die Drehung in eine Richtung durch einen Mechanismus, der als blinkende brownsche Ratsche bekannt ist, günstiger.

Dadurch wurden die passiven Vorrichtungen zu echten Motoren. Mikroskopische Aufnahmen zeigen, dass sich unter diesen Bedingungen jeder Arm – obwohl er sich zufällig schüttelte – im Durchschnitt immer in dieselbe Richtung drehte.

Von sich aus tut der Nanomotor nichts weiter, als den Widerstand der umgebenden Lösung zu überwinden. »Es ist wie beim Schwimmen: Man bewegt sich vorwärts und verrichtet dabei eine Menge Arbeit, die sich im Wasser verflüchtigt«, sagt Dietz. Um aber zu zeigen, dass der Motor auch potenziell nützliche Arbeit leisten kann, gingen die Forscher noch einen Schritt weiter: Sie befestigten einen weiteren DNA-Strang an ihrem Rotor und ließen ihn sich aufrollen wie die Spiralfeder, die zum Drehen der Zahnräder in einer mechanischen Uhr verwendet wird. Ein solcher Mechanismus könnte Nanomaschinen helfen, Energie zu speichern oder an anderen mechanischen Komponenten zu ziehen, sagt Dietz.

Für ihn ist der Motor ein wichtiger erster Beweis dafür, dass das Prinzip funktioniert und sich mit Hilfe der DNA-Origami-Technik nicht nur statische Nanosysteme herstellen lassen, sondern auch solche, die Arbeit verrichten können. »Natürlich habe ich mich sehr über die Veröffentlichung unserer Arbeit in ›Nature‹ gefreut«, sagt Hendrik Dietz. »Es ist für mich aber vor allem Ansporn, direkt über das nächste Projekt nachzudenken.« Schließlich wurde sein Lehrstuhl gerade erst von »Molekulares Design« in »Molekulare Robotik« umbenannt.