Die Zukunft (ent-)falten: DNS-Origami eröffnet Wissenschaftlern neue Möglichkeiten

Von Matt Alderton
- 12. Jan 2016 - 5 min-LEKTÜRE
Visualisierung eines Entwurfs für ein DNS-Origami-Objekt mit dem Autodesk Molecule Viewer

Der 2005 verstorbene Akira Yoshizawa galt als  Großmeister der japanischen Papierfaltkunst Origami.

Yoshizawa, dem das Verdienst zugeschrieben wird, ein bescheidenes Handwerk zu einer hoch angesehenen Kunstform veredelt zu haben, war ein Autodidakt, dessen Lebenswerk geschätzte 50.000 Origami-Modelle umfasst. Zu seinen berühmtesten Schöpfungen zählen ungeschlachte Gorillas mit am Boden schleifenden Armen und eingefallenen Wangen ebenso wie elegante Schmetterlinge mit filigranen Flügeln oder Elefanten mit Flatterohren und gewundenen Rüsseln. Er schuf sogar ein verblüffend lebensechtes Selbstporträt, wobei die Falten im Papier haargenau den Falten seiner Haut entsprachen. Seine zugleich bestechend einfachen und bemerkenswert komplexen Meisterwerke entstanden völlig ohne Schere und Klebstoff.

„Die gestalterischen Möglichkeiten des Papiers sind unbegrenzt“, so Yoshizawa, der stets betonte, dass seine Werke neben ihrem künstlerischen auch einen wissenschaftlichen Wert hätten, da ihre Herstellung nach geometrischen, physikalischen und biochemischen Gesetzen erfolge.

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Bei der Herstellung von DNS-Origami wird ein Thermozykler zum Kühlen der DNS-Stränge verwendet

Was hat es mit DNS-Origami auf sich? 

Die heutige Wissenschaft hat eine Art von Origami entwickelt, die Yoshizawas beeindruckende Kreationen noch an Kühnheit übertrifft. Wie beim traditionellen Origami werden Rohstoffe durch Falten in dynamische dreidimensionale Objekte verwandelt. Der Unterschied: Es wird kein Papier gefaltet, sondern Genmaterial.

Desoxyribonukleinsäure (DNS) enthält die zur Entwicklung lebendiger Organismen erforderlichen biologischen Anweisungen. Ein einzelner DNS-Strang ist 50.000 mal dünner als ein menschliches Haar – zu klein, um ihn mit den meisten gängigen Lichtmikroskopen zu sehen –, lässt sich jedoch aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung einfach bearbeiten.

Das funktioniert so: Ein DNS-Strang ist ein Polymer, das sich aus kleinen chemischen Einheiten – so genannten Nukleotiden – zusammensetzt. Es sind vier verschiedene Typen von Nukleotiden bekannt. Zu jedem Typ gibt es einen Komplementärtyp, mit dem – ähnlich wie bei Magneten – eine gegenseitige Anziehungskraft besteht. Befinden sich zwei DNS-Stränge in unmittelbarer Nähe zueinander, verbinden sich die Nukleotiden automatisch mit ihren jeweiligen Komplementären zu Basenpaaren. Ein typisches zweisträngiges DNS-Molekül, wie es im menschlichen Körper, bei Tieren oder auch bei Bakterien auftritt, besteht aus zwei Strängen, deren Nukleotiden sich so zu Basenpaaren verbunden haben, dass die Stränge miteinander zu einer langen Doppelhelix verschlungen sind.

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Reagenzglas mit bearbeitungsbereiten DNS-Origami-Strängen in Lösung.

Beim DNS-Origami machen sich Wissenschaftler diesen in der Natur auftretenden Prozess zunutze. Mehrere kurze synthetisch hergestellte DNS-Stränge (staples) werden in einem mit Lösung gefüllten Reagenzglas mit einem einfachen langen Viren-DNS-Strang (dem scaffold-Strang) verbunden, erhitzt und wieder abgekühlt, um die Basenpaarbildung anzuregen. Dabei sind die staples so konstruiert, dass sie statt einer einzigen langen Doppelhelix ein Gitter aus vielen miteinander verbundenen Doppelhelixen in der jeweils von den Forschern erwünschten Anordnung bilden.

Einfach ausgedrückt: Die kurzen Stränge „falten“ den langen Strang und zwingen ihn in eine vorprogrammierte Form. „Menschliche Hände eignen sich nicht sonderlich gut zum Falten von Nanoteilchen – wir würden sie bloß zerquetschen –, deswegen verwenden wir stattdessen kleine DNS-Stränge zum Falten des langen Strangs“, so Joseph Schaeffer, Forschungsleiter in der Bio/Nano Research Group bei Autodesk.

Kleine Strukturen, großes Potential 

Die Idee, DNS als Baustein zur Entwicklung neuer Nanostrukturen zu verwenden, ist nicht neu. Bereits Anfang der 1980er Jahre unternahm Nadrian Seeman an der New York University erste Vorstöße auf dem Gebiet der Strukturellen DNS-Nanotechnologie. Mit der Erfindung des DNS-Origami entwickelte Paul W.K. Rothemund vom California Institute of Technology 2006 Seemans Ansatz weiter. Er veranschaulichte seine „Heftklammertechnik“ zum Falten eines DNS-Strangs medienwirksam, indem er es zur Herstellung von 50 Milliarden DNS-Smileys verwendete, die mit einem Rasterkraftmikroskop sichtbar sind.

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Unbearbeitete rasterkraftmikroskopische Aufnahme der mit DNS-Origami hergestellten „Smileys“. Mit freundlicher Genehmigung von Paul W.K. Rothemund.

Seitdem haben Wissenschaftler mit Hilfe von DNS-Origami Strukturen hergestellt, die über die reine Form hinaus auch eine Funktion haben. Potentielle Anwendungsmöglichkeiten reichen von der Selbstmontage von Molekülen bis hin zu „Nanorobotern“, die medizinische Wirkstoffe gezielt zu spezifischen Stellen im Körper transportieren.

Die Positionierung von Molekülen mit atomischer Präzision stellt Nanowissenschaftler immer wieder vor Herausforderungen. „Am besten kann man sich das wie ein Fließband im Nano-Maßstab vorstellen“, erläutert Schaeffer. Die staple-Stränge, die das DNS-Origami falten, können auch zur punktgenauen Positionierung von Proteinen und anderen Molekülen verwendet werden. Darüber hinaus haben Forscher Nanogeräte auf DNS-Basis entwickelt, die Moleküle an vorprogrammierte Ziele innerhalb des DNS-Origami-Gebildes liefern.

DNS-Strukturen entwerfen 

Die Technik des DNS-Origami weist zwar unerhörtes Potential auf, steckt jedoch als wissenschaftliche Disziplin noch in den Kinderschuhen. Zu ihrer Reifung sind bessere Tools zum Entwerfen der Origami-Strukturen erforderlich. Genau wie beim Falten von Papier werden detaillierte Anleitungen benötigt, die jeden einzelnen Schritt bis zum Erreichen der erwünschten Form beschreiben.

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Präparierung einer Mica-Oberfläche zur Rasterkraftmikroskopie von DNS-Origami

„Die Herstellung eines Geräts im Origami-Verfahren lässt sich in drei Kernphasen einteilen“, wie Schaeffer erklärt. „Am Anfang steht der Entwurf und die Bestimmung der jeweils erforderlichen DNS-Stränge. Diese speziellen Stränge werden dann bei einem Unternehmen bestellt, das synthetische DNS herstellt und verkauft. Sobald sie geliefert werden, kombiniert man die Stränge in einem Reagenzglas, das dann erhitzt und wieder abgekühlt wird. Beim Erhitzen und Abkühlen faltet und bildet sich das DNS-Origami.“

Bei der Konstruktion einer DNS-Nanostruktur müssen Hunderte von DNS-Strängen und ihre Interaktionen miteinander protokolliert werden – eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe, deren Schwierigkeitsgrad mit der Weiterentwicklung der DNS-Origami-Technik in Richtung immer größerer und zunehmend komplizierter Strukturen noch steigen wird. Zur Unterstützung der Wissenschaftler sind bessere Software-Konzepte vonnöten, so Schaeffer, dessen Forschungsgruppe die bei Autodesk vorhandene Fachkenntnis und Technologie zur Entwicklung von CAD-Tools zur Herstellung molekularer Strukturen im Nanomaßstab nutzt. In einem ersten Schritt wurde die Machbarkeit des gesamten Konstruktionsverfahrens vom Entwurf über die Montage bis hin zur Prüfung nachgewiesen. Zu diesem Zweck entschied man sich, zunächst das Autodesk-Logo mit dem DNS-Origami-Verfahren als Nanostruktur nachzubilden.

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Das Autodesk-Logo als DNS-Origami

Gegenwärtig wird zur Konstruktion von DNS-Origami die Open-Source-Software Cadnano verwendet. Nutzer zeichnen ihr Origami zunächst in 2D und haben dann die Wahl, es entweder mit einem Cadnano-Plug-in für Autodesk Maya oder mit dem Autodesk Molecule Viewer in 3D darzustellen. Zur Simulation der physikalischen Struktur des fertigen DNS-Origami kann entweder CanDo oder oxDNA genutzt werden. Zukünftige Versionen und Nachfolgemodelle dieser Tools werden das Verfahren weiter vereinfachen.

„Mit einem 3D-Drucker kann mittlerweile jeder ein mit CAD entworfenes 3D-Objekt nehmen und in die Realität umsetzen. Wir arbeiten derzeit an einer Software, mit der sich DNS-Origami ebenfalls einfacher entwerfen und herstellen lässt“, erläutert Schaeffer weiter. „Es gibt jede Menge spannende Ideen, die sich mit Hilfe dieser Technologie verwirklichen ließen – vorausgesetzt, wir können einige der Probleme lösen, die momentan bei der Erstellung auftreten. Mit der Entwicklung einer Software, die dazu beiträgt, dass auf diesem Gebiet Fortschritte erzielt werden können, leisten wir hier Pionierarbeit.“

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