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ForschungsForum Paderborn
Origami mit DNA
Funktionale Nanostrukturen gefaltet aus einzelnen Molekülen
Von Adrian Keller
Dr. Adrian Keller leitet seit 2014 die Arbeitsgruppe
Nanobiomaterialien am Lehrstuhl für
Technische und Makromolekulare Chemie.
Seine gegenwärtigen Forschungsinteressen
liegen in den Bereichen DNA-Nanotechnologie,
Proteinaggregation, und Protein-Oberflächen-Wechselwirkungen.
DNA ist der Träger der Erbinformation. Aufgrund
ihrer besonderen strukturellen und chemischen
Eigenschaften wird die DNA-Doppelhelix aber
auch als Baustein zur Erzeugung funktionaler
Nanostrukturen eingesetzt. Durch die hohe
Spezifizität der DNA-Basenpaarung lassen sich
molekulare Wechselwirkungen so programmieren,
dass sich DNA-Stränge selbstständig in
komplexe Origami-Nanostrukturen falten. Über
die nachfolgende Ankopplung organischer oder
anorganischer Spezies wie etwa Proteinen oder
Nanopartikeln können so funktionale Nanostrukturen
mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in
Medizin, Sensorik und Elektronik erzeugt
werden.
Das Forschungsgebiet der Nanotechnologie,
welches durch Richard Feynmans visionären
Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“ im
Jahr 1959 begründet wurde, hat sich in den letzten
Jahrzehnten zu einem bunten Feld entwickelt, in
dem eine Vielzahl unterschiedlicher Methoden
und Technologien entwickelt und hinsichtlich ihres
Potenzials, kleinste funktionale Strukturen herzustellen,
untersucht werden. So vielfältig wie die
eingesetzten Methoden sind auch die aktuellen
und zukünftigen Anwendungsgebiete der Nanotechnologie,
welche von der Mikro- und Nanoelektronik
über die physikalische, chemische und
biologische Sensorik bis zur medizinischen Therapie
und Diagnostik reichen.
Alle Ansätze der Nanotechnologie haben jedoch
ein gemeinsames Ziel: die Kontrolle von Materie
auf der Skala einiger Nanometer. Das Feld der
molekularen Nanotechnologie nutzt hierzu insbesondere
das Selbstassemblierungsvermögen von
Makromolekülen, welche von Natur aus die
entsprechenden Dimensionen aufweisen. Eine
besondere Rolle spielt hier die DNA, also das
Molekül, in dem der genetische Code gespeichert
ist. Aufgrund ihrer besonderen chemischen Struktur
und der hochspezifischen Reaktionen, die sie
einzugehen in der Lage ist, wurde die DNA bereits
Anfang der 1980er-Jahre als Baustein vorgeschlagen,
mit dessen Hilfe komplexe dreidimensionale
Strukturen aufgebaut werden können [1].
Der Grundgedanke hinter der DNA-Nanotechnologie
ist die Nutzung der spezifischen Watson-Crick-
Basenpaarung, welche in Abbildung 1 a schematisch
dargestellt ist. DNA-Einzelstränge bestehen
aus einem polymeren Rückgrat an dem die vier
Nukleobasen aufgereiht sind: Adenin (A), Cytosin
(C), Guanin (G) und Thymin (T). Die Basen können
nun über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander
binden und sogenannte Basenpaare bilden.
Diese Watson-Crick-Basenpaarung ist hochgradig
spezifisch, d. h. Adenin kann nur an Thymin bin -
den und Cytosin nur an Guanin. Zwei DNA-Einzelstränge
können somit nur aneinander bin den
wenn sie, wie in Abbildung 1 a dargestellt, kom -
plementäre Basensequenzen aufweisen. Erst
dann kann sich die berühmte DNA-Doppelhelix
ausbilden, welche einen Durchmesser von 2 nm
und eine Ganghöhe von 3,4 nm pro helikaler
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