Powered by

Erbgut als Kleber

Das ist der Traum jedes Ingenieurs, der regelmäßig strukturierte Materialien mit kleinsten Poren benötigt: ein Klebstoff, der winzige Partikel nicht nur zusammenhält, sondern sie auch selbständig im richtigen Abstand in Kontakt bringt. Wissenschaftler um die Professoren Clemens Richert und Stefan Bräse am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben nun einen solchen Stoff als „Biokleber“ entwickelt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift ChemBioChem veröffentlicht.

Im DNA-Synthesizer produzieren Professor Clemens Richert (li.) und Professor Stefan Bräse (re.) ihren „Klebstoff“ für neue Materialien. © Gabi Zachmann
Um dreidimensionale Gitter mit Poren im Nanometer-Bereich (1 Nanometer = 1 Millionstel Millimeter) aufzubauen, knüpfen sie extrem kurze Stücke von einsträngiger Desoxyribonukleinsäure (DNA), die von der Natur ursprünglich als Träger der genetischen Information entwickelt wurde, an ein sternförmiges Molekül. Wie im Erbgut der Lebewesen lagern sich jeweils zwei DNA-Einzelstränge, die aufgrund der Abfolge ihrer Bausteine zueinander komplementär sind, zu einem Doppelstrang zusammen. An jedem Zentralmolekül sind vier dieser „klebrigen“ DNA-Enden wie die Ecken eines Tetraeders angeordnet. Sie können sich daher mit jeweils vier anderen Molekülen verbinden. Durch Selbstorganisation entsteht so eine komplexe räumliche Gitterstruktur mit neuen Eigenschaften.
Am Computer berechnete Struktur einer „Elementarzelle“ mit Zentralmolekül und DNA-Doppelsträngen. Daraus setzt sich der poröse Feststoff zusammen. © CFN

Poröse Materialien spielen als Katalysatoren, Speichermedien und strukturgebende Komponenten, beispielsweise in der Technik oder der Medizin, eine wichtige Rolle. „Wir konnten zum ersten Mal zeigen, dass mit Hilfe kurzer DNA-Schnipsel quasi-unendliche Strukturen für solche Anwendungen aufgebaut werden können“, beschreibt Richert die Arbeit, die am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen Bräse (Chemie), Wenzel (Physik) und Puchta (Biologie) entstand. Dafür reichten bereits DNA-Abschnitte von nur zwei Nukleotiden, also den Buchstaben, aus denen DNA besteht, damit sich die Gerüste in wässriger Lösung bildeten. Dieses Material lagert sich dann selbständig zu Nanopartikeln zusammen, wenn es abgekühlt wird.

Die extrem kurzen DNA-Doppelstränge haben den Vorteil, dass eine relativ geringe Aktivierungsenergie benötigt wird, um fehlerhafte Strukturen wieder aufzubrechen. „Dies ermöglicht einen dynamischen Auf- und Abbauprozess“, so Richert, der auch nach seinem kürzlichen Wechsel an die Universität Stuttgart das Projekt in Zusammenarbeit mit seinen Karlsruher Kollegen weiterführen wird. „Ein großer Vorteil dabei ist, dass wir mit rein synthetischem Material große Gitter erhalten können.“

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Im Karlsruher Institut für Technologie (KIT) schließen sich das Forschungszentrum Karlsruhe in der Helmholtz-Gemeinschaft und die Universität Karlsruhe zusammen. Damit wird eine Einrichtung international herausragender Forschung und Lehre in den Natur- und Ingenieurwissenschaften aufgebaut. Im KIT arbeiten insgesamt 8.000 Beschäftigte mit einem jährlichen Budget von 700 Millionen Euro. Das KIT baut auf das Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.
Die Karlsruher Einrichtung ist ein führendes europäisches Energieforschungszentrum und spielt in den Nanowissenschaften eine weltweit sichtbare Rolle. KIT setzt neue Maßstäbe in der Lehre und Nachwuchsförderung und zieht Spitzenwissenschaftler aus aller Welt an. Zudem ist das KIT ein führender Innovationspartner für die Wirtschaft.

Glossar

  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) ist ein doppelsträngiges, helikales Makromolekül, in dem die gesamte Erbinformation eines Organismus codiert ist.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren. Sie setzen sich aus einer Base, einem Zuckerrest und drei Phosphatgruppen zusammen. Bei der DNA- bzw. RNA-Synthese werden Nukleotide miteinander über eine Phosphordiesterbindung verknüpft. Dabei werden zwei Phosphatgruppen abgespalten.
  • Nanopartikel sind Teilchen von einer Größe unter 100 Nanometer.
Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/pm/erbgut-als-kleber/