Mit künstlichen Biomolekülen zum Nanodraht

Die Universität Zürich geht in der Entwicklung auf dem Gebiet der Nanotechnologie neue Wege. Forscher der UZH und der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster haben begonnen, bestehende Biomoleküle so zu verändern, dass sie für die Nanotechnologie als Draht oder Magnet einsetzbar werden könnten. Sie haben Biomoleküle gezielt modifiziert und anschliessend die neu entstandene Struktur mittels aufwändiger Verfahren auf ihre Eigenschaften untersucht. Bis zum Nanodraht aus Biomolekülen ist zwar noch ein weiter Weg, aber ein erster wichtiger Schritt ist getan.

Das Biomolekül DNS (Desoxyribonukleinsäure), in der Natur verantwortlich für die Speicherung von Erbinformation, wird immer häufiger auch als Baustein in der Nanotechnologie verwendet – völlig unabhängig vom ursprünglichen biologischen Kontext. Die stabilste in der Natur vorkommende Struktur der Doppel-Helix dient dabei als Grundgerüst. Durch gezielte chemische Änderungen und den Einbau von Silber-Ionen in die ursprüngliche Struktur entsteht quasi ein eindimensionaler Draht. Dieser Strang von Silber-Ionen, den man sich wie Perlen an einer Kette vorstellen kann, könnte elektrische Ladungen transportieren und so als molekularer Leiter in kleinsten Schaltkreisen eingesetzt werden. Auch der Einsatz als Nanomagnet oder als Sensor von Metall-Ionen, um kleinste Konzentrationen an Schwermetallen in Trinkwasser nachzuweisen, ist vorstellbar.

Um elektrische Leitfähigkeit oder Magnetismus gezielt herstellen zu können, ist es notwendig, die genaue Struktur und Stabilität des durch den Silbereinbau veränderten Moleküls zu kennen. Dem Team um Prof. Roland K.O. Sigel von der Universität Zürich und Forschenden der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster ist es gelungen, drei direkt aufeinander folgende Silber-Ionen in eine bestehende Helix einzubauen. Wie sie in der Fachzeitschrift «Nature Chemistry» berichten, konnten sie anschliessend mittels Kernspinresonanz (NMR) die Struktur bis auf die Atomebene aufschlüsseln. Das Besondere an der Struktur des mit Silber-Ionen veränderten DNS Moleküls ist, dass sich die Form durch den Einbau der Ionen kaum ändert und dass die Doppel-Helix noch stabiler ist.

Eine solche strukturelle Information ist die entscheidende Basis für eine Weiterentwicklung der funktionalisierten DNS. Bevor die künstliche, modifizierte DNS in Zukunft einmal als Nanodraht oder als Nanomagnet eingesetzt werden kann, müssen nach der jetzt erfolgten Strukturaufklärung jedoch noch zahlreiche weitere physikalische Eigenschaften intensiv untersucht werden.

Silke Johannsen, Nicole Megger, Dominik Böhme, Roland K.O. Sigel und Jens Müller: Solution structure of a DNA double helix with consecutive metal-mediated base pairs, Nature Chemistry, doi: 10.1038/NCHEM.512