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Mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops (AFM)
lassen sich einzelne Moleküle mit DNA-Abschnitten
unterschiedlicher Bindungsfähigkeit aus Depotbereichen (links)
aufnehmen und auf einer Montagefläche (rechts) wieder absetzen.
Foto: LMU München
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Von der Herstellung maßgeschneiderter lebender
Zellen mit bestimmten biologischen Funktionalitäten, etwa zur
Aufspaltung von Erdöl, ist derzeit oft die Rede. Aber Fachkreise
diskutieren seit Jahren auch einen alternativen Konstruktionsansatz
für funktionale Nanosysteme. Dabei sollen in einem
Rasterkraftmikroskop (AFM) biologische Strukturen aus einzelnen
Molekülen Stück für Stück zusammengesetzt werden - verwirklicht wurde
diese Idee bisher aber nicht.
Dabei ist das Grundprinzip zum gezielten Positionieren von Molekülen
mittels AFM auf den ersten Blick recht einfach. Man steuert die
AFM-Spitze wie einen Kran zu einer Depotfläche und nimmt ein einzelnes
Molekül auf. Jetzt muss die Spitze nur noch zu einer Montagefläche
bewegt werden, wo man das Molekül wieder absetzen will. Aber genau da
tritt nun das entscheidende Problem auf. Es gab bisher bei keinem der
in Frage kommenden Greif-Mechanismen eine Möglichkeit zur Trennung des
Moleküls von der AFM-Spitze, denn die anziehende Kraft lässt sich
nicht einfach abschalten. Das Molekül hängt an der Spitze fest und
kann nicht wieder abgesetzt werden.
Dieses als "Sticky Fingers", auf deutsch "klebrige Finger",
bezeichnete Problem galt bisher als grundlegendes Hindernis für die
Umsetzung einer Molekül-Baukasten-Technik mittels AFM. Die Münchener
Forscher haben nun eine Lösung gefunden. Sie machen sich dabei sogar
die eigentlich störende Klebrigkeit zunutze, indem sie ein System mit
unterschiedlich starken Klebrigkeiten verwenden. Zur Aufnahme des zu
versetzenden Moleküls sitzt an seiner Oberseite ein DNA-Abschnitt als
eine Art Haken. Ein komplementäres DNA-Stück befindet sich an der
Spitze des AFM. Aber auch an der Unterseite wird das Molekül mit einem
DNA-Stück verbunden. Und ebenfalls auf der Montage-Fläche, auf der das
Molekül abgesetzt werden soll, befinden sich ähnlich wie an der
AFM-Spitze DNA-Gegenstücke. Diese binden aber stärker aneinander als
die an der Spitze. Wird die Spitze nach dem Absetzen des Moleküls nun
nach oben gezogen, so bleibt es auf der Montagefläche haften, löst
sich aber von der AFM-Spitze. Die unterschiedlichen Bindungsstärken
der DNA-Verbindungen lassen sich durch eine geschickte Wahl der
DNA-Längen und der geometrischen Anordnung einstellen.
Zur Überprüfung der neuen Technik haben die Biophysiker auf einem
Glasträger räumlich getrennte Depot- und Montageflächen angelegt. Auf
den Depotflächen werden verschiedene Arten von Farbstoffmolekülen
gelagert. Die Montagefläche ist mit freien DNA-Abschnitten bedeckt,
einer Art "DNA-Rasen". Nach der Präparation wird die Probe in einem
Rasterkraftmikroskop montiert. Um die Lage der Depots auf der Probe
exakt zu vermessen, wird diese von unten mit einem
Fluoreszenzmikroskop betrachtet. So lassen sich die Depots anhand der
unterschiedlichen Fluoreszenzsignale gut erkennen und für die
Manipulation im AFM positionieren. Mit der AFM-Spitze werden dann
einzelne Farbstoffmoleküle aus den Depots aufgenommen und auf der
Montagefläche gezielt in geometrischen Anordnungen deponiert. Auf
diese Weise konnten unter Verwendung einer einzigen Spitze mehrere
tausend Moleküle einzeln platziert werden.
Der Biophysiker Stefan Kufer ist sich sicher, mit diesem neuen
Verfahren eine "Basis-Technologie" entwickelt zu haben, mit der sich
in Zukunft beliebige molekulare Bausteine zu neuen funktionalen
Systemen im Nanometerbereich zusammenfügen lassen. So ließen sich
durch die bewusste Anordnung von Enzymen auf einem Bio-Chip womöglich
komplexe biologische Prozesse auf Einzelmolekülebene mechanisch
kontrolliert realisieren, die sonst nur in lebenden Zellen ablaufen
können, etwa die Produktion von Insulin oder der Abbau von
Schadstoffen.
Professor Hermann Gaub bekräftigt, dass es ihm und seinen Mitarbeitern
dank eigener jahrzehntelanger Erfahrung nun gelungen sei, eine
"riesige Spielwiese zu schaffen, auf der man seinen Gestaltungswillen
ausleben kann." So beschränkt sich die Methode auch nicht auf rein
biologische Systeme. Prinzipiell sollten sich sogar Strukturen aus der
Informationstechnologie auf diese Weise zusammensetzen lassen, etwa
Quantenpunkte oder winzige Magnetstrukturen. "An die DNA kann man
anhängen, wozu man Lust hat", schwärmt Gaub.
Die Arbeit, die in der aktuellen Ausgabe von "Science" veröffentlicht
wurde, fand im Rahmen des Exzellenzclusters "Nanosystems Initiative
Munich (NIM)" statt, das es sich zum Ziel gesetzt hat, funktionale
Nanostrukturen für Anwendungen in der Medizin und in der
Informationsverarbeitung zu entwickeln und zu erforschen.
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