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Nano-Softball aus DNA

"Programmierte" dreifach verzweigte Oligonucleotide organisieren sich zu Nano-Dodekaedern

08.04.2008

Schon seit längerem wird DNA, der Stoff, aus dem unser Erbmaterial besteht, auch als Baustoff der Wahl für nanoskalige Objekte angesehen. Einem Team um Günter von Kiedrowski von der Ruhr-Universität Bochum ist es nun gelungen, einen Dodekaeder aus DNA-Bausteinen herzustellen. Wie es in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, bauen sich diese Körper in einem Selbstorganisationsprozess aus 20 einzelnen Trisoligonucleotiden auf, Bausteinen aus einem "Verzweigungsstück" mit drei kurzen DNA-Strängen.

Ein regelmäßiger Dodekaeder ist ein geometrischer Körper aus zwölf gleich großen Fünfecken, von denen sich je drei an den Ecken berühren. So entsteht ein Gebilde mit 30 Kanten und 20 Ecken. Um einen dodekaedrischen Hohlkörper aus DNA herzustellen, brauchten die Forscher 20 "dreibeinige" Bausteine (drei DNA-Stränge, die an einem Punkt miteinander verknüpft sind). Die Zentren dieser Bausteine repräsentieren die Ecken des Dodekaeders. Die drei davon ausgehenden Kanten entstehen, indem je ein DNA-Einzelstrang zweier benachbarter Verbindungsstücke zu einem Doppelstrang hybridisieren.

Damit aus den Bausteinen auch tatsächlich ein Dodekaeder entsteht und kein beliebiges anderes geometrisches Objekt, ist es notwendig, dass alle DNA-Stränge eine unterschiedliche Sequenz haben. Dabei müssen immer zwei Stränge zueinander komplementär sein, so dass sie aneinander binden.

Mit Hilfe eines Rechenprogramms ermittelten die Forscher einen Satz von 30 unabhängigen, 15 Basenpaaren langen doppelsträngigen DNA-Sequenzen mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften. Die doppelsträngigen Sequenzen wurden den einzelnen Kanten des Dodekaeders zugewiesen und definiert, in welche Ecken sie münden. Dann wurde ermittelt, welche drei einzelsträngigen Sequenzen jeweils zu einem dreibeinigen Baustein verknüpft sein müssen, damit die vorbestimmte Struktur entstehen kann.

Das Team synthetsierte die 20 berechneten Trisoligonucleotide mit Hilfe einer Festphasensynthese. Verknüpft wurden die drei DNA-Stränge immer über einen aromatischen Kohlenstoffsechsring. Zu je gleichen Teilen in einer Pufferlösung vereinigt aggregieren die Bausteine in der Tat zu dem erwarteten Produkt: gleichmäßigen Dodekaedern. Rasterkraftmikroskopische Aufnahmen zeigten diese als gleichförmige Partikel von etwa 20 nm Durchmesser. Gegenüber Druck sind die Dodekaeder recht flexibel, sie lassen sich wie "Softbälle" deformieren, ohne Schaden zu nehmen.

Werden die Trisoligonucleotide mit überhängenden "Ärmchen" ausgerüstet, lassen sich die Dodekaeder mit zusätzlichen funktionalen Molekülen bestücken. Auf diese Weise sollten in Zukunft hochkomplexe Nanokonstrukte zugänglich sein, die in Form und Größe an kleine Viren erinnern. Potenzielle Anwendungen reichen von der medizinischen Diagnostik bis in die Nanoelektronik.

Originalveröffentlichung: Günter von Kiedrowski et al.; "Selbstorganisation eines DNA-Dodekaeders aus 20 Trisoligonucleotiden mit C3h-Linker"; Angewandte Chemie 2008.

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