Nanotechnologie mit fraktaler Montage

Die kleinste Mona Lisa der Welt "wächst" im Reagenzglas

Wie von Geisterhand gelenkt finden sich Moleküle zu einem mikroskopisch kleinen Abbild der Mona Lisa zusammen. Forscher um Grigory Tikhomirov vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena haben dieses Kunststück fertig gebracht, wie sie in Nature berichten. Inspirieren ließen sie sich von der Natur. Diese baut komplexe Strukturen, indem sie die gleiche Form im Kleinen und im Großen immer wieder verwendet, gleichsam recycelt. Ein ganzer Baum sieht ähnlich aus wie einer seiner Äste und dieser wiederum wie einer seiner Zweige. "Selbstähnlichkeit" nennen Fachleute das.

Tikhomirovs Team setzte das Prinzip mit Hilfe einer Technik namens DNA-Origami um. Das Erbgutmolekül DNA lässt sich programmieren, selbständig geometrische Formen wie Tetraeder auszubilden. Sogar hoch komplexe Roboter wuchsen schon im Reagenzglas, etwa ein winziger Container mit Wänden, Deckel, Scharnieren, einem Schloss und einem Sensor aus DNA. Der Fühler erkennt Krebszellen, woraufhin der Deckel sich öffnet und ein Krebsmedikamente freigibt (es handelte sich um Grundlagenforschung, weit weg von der medizinischen Anwendung).

Diese Form der Nanotechnologie praktizieren Forscher seit Jahren. Bislang allerdings nicht über eine Größe von wenigen Nanometern (Millionstel Millimeter) hinaus. Die Mona Lisa des Caltech ist jedoch zigmal größer und erreicht das Maß eines kleinen Bakteriums. Wie haben die Forscher das hingekriegt?

Für das DNA-Origami braucht man einen langen Strang des Erbgutmoleküls DNA und viele kurze. Einzelne DNA-Stränge haben das Bestreben, sich mit einem anderen zu paaren. Dabei sind sie wählerisch, weil sich die genetischen Buchstaben A, T, C und G nicht beliebig verbinden. Die Sequenz ATTGA etwa verbindet sich nur mit TAACT. Durch die Wahl Buchstabenfolge lässt sich programmieren, an welchen Stellen sich die kurzen Stränge an den langen binden. Sie wirken dann wie Klammern, die den langen Strang zwingen, sich in eine bestimmte Form zu falten. Das geschieht von alleine, wenn man all die DNA-Fäden in einem Reagenzglas zusammen schüttet. "Selbstassemblierung" heißt der Vorgang.

Fraktale Montage

Das Problem beim Programmieren größerer Formen: Jede Klammer muss einzigartig sein, sonst faltet sich der Strang an den falschen Stellen zusammen, weil er sich mit der falschen Klammer verbindet. Vergleichbar wäre das mit einem Puzzle, bei dem viele Teile an mehreren Stellen passen. Es gäbe unzählige Möglichkeiten, es zu lösen, aber bis auf eine würden alle Ergebnisse ein Gewirr statt eines Bildes zeigen. Stattdessen ist jedes Puzzleteil einzigartig geformt.

Für die Mona Lisa hätten die Forscher hunderte verschiedene Klammern programmieren müssen, um diese Eindeutigkeit zu erreichen, ein aufwändiges Verfahren. Stattdessen wählte das Team eine "fraktale Montage" mit deutlich geringerem Programmieraufwand. "Wir verwenden nur wenige verschiedene Bausteine, um stufenweise immer größere Strukturen aufzubauen", erklärt Tikhomirov. Im Prinzip lasse sich so eine unbegrenzte Zahl von Motiven herstellen, fügt er hinzu.

Mit DNA-Origami stellten die Forscher zunächst quadratische Kacheln mit hundert Nanometern Kantenlänge her. Ihre Oberfläche ist nicht glatt, sondern an bestimmten Punkten ragen DNA-Fortsätze wie Höcker hervor. Diese bilden wie die Pixel bei einem Digitalbild einen Teil des Mona Lisa. Jede Kachel ähnelt somit einem Puzzleteil. Das Mona-Lisa-Puzzle des Caltech hat 64 solcher Teile.

Der Trick ist nun die Verbindungstechnik. An die Kanten der Kacheln brachten die Forscher kurze DNA-Stränge an. Deren Abstände voneinander bilden ein Muster, wie die Zacken eines Schlüssels. Das dazu passende Muster, wie im Schloss, findet sich an genau einer anderen Kachel, sodass sich Paare finden. Es gibt aber nur vier solcher Schlüssel-Schloss-Paare. Somit lassen sich nur vier Kacheln verbinden.

Die Forscher ließen die Selbstassemblierung solcher Vierergruppen voneinander getrennt ablaufen, in 16 Reagenzgläsern. Dabei entstehen größere Kacheln. Hier kommt die Selbstähnlichkeit ins Spiel: Diese tragen an ihren Kanten wiederum die gleichen Muster aus DNA-Strängen, zweifach vergrößert. Nun mischten die Forscher je vier der neuen, größeren Plättchen, in vier Reagenzgläsern. Es entstehen vier noch größere Kacheln, die eine vierfach vergrößerte Variante der ursprünglichen Schlüssel-Schloss-Muster tragen. Zusammengemischt verbinden sie sich daher zu dem Gesamtbild der Mona Lisa, wie ein Rasterkraftmikroskop bestätigte.

Um ihre Methode für Nicht-Experten anwendbar zu machen, haben die Forscher eine Software erstellt, die aus einem gewöhnlichen digitalen Bild die DNA-Kacheln herstellt. Das von ihnen benutzte Foto der Mona Lisa hatten sie zuvor von einem Wikipedia-Artikel heruntergeladen. Neben der Mona Lisa ließen die Forscher mikroskopische Bilder eines Gockels, eines Bakteriums (in Originalgröße) sowie eines elektronischen Schaltplans wachsen. "Die fraktale Selbstassemblierung ermöglicht es, die Komplexität von Nanostrukturen zu erhöhen", schließen die Forscher.