DNA-Schaltkreise

Wissenschaftler konnten jetzt zeigen, dass sich weiche Materie durch Schalter aus DNA-Molekülen mechanisch verändern lassen.

Die Vorgänge in biologischen Zellen scheinen unfassbar komplex, sind jedoch nur eine logische Verknüpfung von Ereignissen und können womöglich als digitale Schaltungen abgebildet werden. Forschende haben nun ein molekulares Schaltnetz aus DNA entworfen, um Gele abhängig vom pH-Wert mechanisch zu verändern. DNA-basierte Schaltkreise können in der Soft-Robotik eine Rolle spielen, schreiben sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie.

Die DNA ist ein langes Molekül, das sich falten und aufwickeln lässt. Finden die Nukleinbasen, die als chemische Gruppen vom Rückgrat des DNA-Moleküls abstehen, in anderen DNA-Strängen Gegenstücke, formt sich die typische „gedrehte Leiterstruktur“: eine Doppelhelix aus zwei umschlungenen DNA-Strängen. Diese Möglichkeit, DNA aufzuwickeln und dadurch sogar Knicks, Schleifen und andere Formen zu produzieren, inspirierte WissenschaftlerInnen dazu, DNA-Schalter zu bauen. Diese Schalter verändern bei einem Input ihre Form und wirken dadurch auf ihre Umgebung.

Hao Pei vom Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes an der East China Normal University in Shanghai (China) und seine Kollegen haben nun ein konfigurierbares, mehrstufiges Schaltnetz entwickelt, das je nach pH-Wert und einer DNA-Eingabe unterschiedlich mit seiner Umgebung reagiert. Alle Bestandteile des Schaltnetzes stellten sie aus DNA her.

Sie entwarfen vier DNA-Schalter mit jeweils etwas unterschiedlicher Länge und Basenkombination. Abhängig vom pH-Wert der Umgebung reagierten sie mit einem DNA-Einzelstrang daher unterschiedlich. So bildeten beispielsweise bei einem leicht alkalischem pH-Wert von 8 zwei Schalter DNA-Dreifachwicklungen (Triplexe), die anderen blieben locker ausgestreckt. Diese Reaktionen und Faltungen führten zu Folgereaktionen, was die Forscher als logische Funktion im Schaltkreis ausnutzten. Das Ergebnis war zum Beispiel ein Fluoreszenzsignal, das als Ausgabe abgelesen werden konnte.

Um den Schaltkreis in einem echten mechanischen System zu nutzen, bauten die Forscher die Schalter in Polyacrylamidgele ein. Die DNA diente hier als Quervernetzer zwischen den Polymermolekülen: Je kürzer oder je stärker verdrillt die DNA, desto dichter ist das Gel. Bei der Zugabe eines DNA-Einzelstrangs als Eingabe liefen dann, abhängig vom pH-Wert und von der Schalterkombination, neue Faltungs- und Verdrillungsvorgänge ab. Bei bestimmten Kombinationen aus DNA-Eingabe und pH-Bereich verlängerte sich der DNA-Vernetzer durch Auffaltung und das Gel schwoll an, sogar bis auf doppelte Größe.

Die DNA ermöglicht eine nahezu unendliche Kombination an Faltungs- und Verdrillungsmöglichkeiten. Die ForscherInnen sehen ihren DNA-geführten Schaltkreis daher als wichtigen Schritt in Richtung Robotik weicher Materie an – hier sind miniaturisierte logische Funktionsschaltkreise gefragt.