Erbgut als Kleber

29.06.2009 - (idw) Karlsruher Institut für Technologie

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 (2009, 10, 1335-1339). 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.
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."

Literatur:
Two Base Pair Duplexes Suffice to Build a Novel Material. M.
Meng et al., ChemBioChem 2009, 10, 1335-1339.

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 8000 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.

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