Elektrischer Antrieb für Biomolekulare Nanoroboter

Elektrische Manipulation von DNA-Origami

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der DNA-Origami-Plattform mit integriertem Arm (A,B). Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen ohne (C) und mit angebundener Zeigerstruktur (D). Abb. 1: Schematische Darstellung der DNA-Origami-Plattform mit integriertem Arm (A,B). Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen ohne (C) und mit angebundener Zeigerstruktur (D).
  • Abb. 1: Schematische Darstellung der DNA-Origami-Plattform mit integriertem Arm (A,B). Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen ohne (C) und mit angebundener Zeigerstruktur (D).
  • Abb. 2: Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus (A,B). Bildserie einer extern gesteuerten Rotation (C) und Plot der Partikelposition über mehrere Rotationen im und gegen den Uhrzeigersinn (D).
  • Abb. 3: DNA-Nanostruktur mit angebundenem Goldpartikel und alternierender Wechselwirkung zwischen Gold und roten bzw. grünen Fluorophoren bei Rotationsfrequenz von 1, 2 und 4 Hz.

Die Robotik hat sich in den vergangenen Jahren rasant entwickelt und wird unsere Art zu leben und zu arbeiten radikal verändern. Roboter verbessern und beschleunigen industrielle Herstellungsprozesse und unterstützen anstrengende oder gefährliche Arbeiten in verschiedensten Arbeitsbereichen. Als Roboter bezeichnen wir technische Systeme, in denen Sensor-, Aktuator- und Computerfunktionen integriert sind – Sensoren liefern Informationen über die Umgebung des Systems, der Computer leitet daraus die in der jeweiligen Situation notwendigen Aktionen ab und setzt diese in mechanische Bewegungen um.

Zuletzt haben sich auch Forscher aus den molekularen Wissenschaften mit der Robotik beschäftigt, mit dem Ziel miniaturisierte „Nanoroboter“ herzustellen – es gilt also, die Funktionen der Sensorik, Informationsverarbeitung und der Aktorik in einem integrierten molekularen System zu vereinen. Neben einer Vielzahl von molekularen Sensoren gibt es bereits verschiedenste Ansätze für molekulare Computer.  Für Arbeiten zu „molekularen Maschinen“ wurde im Jahre 2016 gar der Nobelpreis für Chemie verliehen. Allerdings wurden diese verschiedenen Funktionen bislang kaum in einem einzelnen System zusammengeführt.

Wofür könnten Nanoroboter genutzt werden?

Nanoroboter würden sich dadurch auszeichnen, dass sie auf der gleichen Längenskala operieren wie molekulare Prozesse in der Nanotechnologie, der Chemie oder Biologie. Dies definiert auch ihre möglichen Anwendungsbereiche. Eine Vision der Nanorobotik ist die „molekulare Fertigungsstraße“, in der Nanoobjekte Molekül für Molekül programmierbar zusammengesetzt werden sollen – das klingt zwar sehr futuristisch, ist aber gar nicht so weit hergeholt, wenn man z.B. an die Synthese von Proteinen durch die Ribosomen in der Biologie denkt. Autonom innerhalb eines Organismus agierende Nanoroboter könnten wiederum biomedizinische Aufgaben übernehmen und z.B. selbstständig entscheiden, ob und an welcher Stelle sie eine transportierte Wirksubstanz freisetzen.

Von molekularen Schaltern zu molekularen Robotern

Die Umsetzung von Robotikfunktionen auf der molekularen Skala basiert vor allem auf der Möglichkeit, Moleküle kontrolliert zwischen mehreren Konformationen „schalten“ zu können.

Führt ein Umweltreiz zum Umschalten zwischen den Zuständen, kann dies als Sensorprinzip genutzt werden. Ist die Konformationsänderung mit einer Bewegung assoziiert, kann dies für die Aktorik verwendet werden. Zudem können schaltbare Moleküle auch für die Informationsspeicherung oder -verarbeitung genutzt werden. Der Leistungsfähigkeit von molekularen Robotern sind damit natürliche Grenzen gesetzt – einfache Moleküle sind schlichtweg zu klein, um große räumliche Bewegungen zu realisieren. Da sie nur wenige unterschiedliche stabile „Zustände“ annehmen können, ist ihre Computerpower auch entsprechend beschränkt.

DNA-Nanotechnologie

In diesem Zusammenhang sind Biopolymere wie DNA oder Proteine für die Nanorobotik von besonderem Interesse. Da es sich um informationstragende Polymere handelt, können viele ihrer Eigenschaften gewissermaßen „programmiert“ werden. Im Falle von DNA können die Basensequenzen zweier Moleküle so gewählt werden, dass sie entweder gar nicht wechselwirken, oder aber aneinanderbinden und eine DNA-Doppelhelix bilden. Diese Möglichkeit wird in der „strukturellen DNA-Nanotechnologie“ dafür genutzt, „sequenzprogrammierbar“ künstliche molekulare Nanostrukturen herzustellen. In der in letzter Zeit populären DNA-Origami-Technik wird ein langer DNA-Einzelstrang (der „Gerüststrang“ mit einer Länge von mehreren tausend Nukleotiden) mit Hilfe einer großen Anzahl von kürzeren DNA-Strängen (den „Klammersträngen“) in eine vorgegebene Form „gefaltet“. Dies geschieht anhand eines molekularen Bauplans, aus dem sich die Basensequenzen der Klammerstränge ableiten lassen. Die informationscodierende Natur der DNA-Moleküle eignet sich auf natürliche Weise auch für die Informationsverarbeitung. Im DNA-Computing werden z.B. molekulare Algorithmen für Selbstorganisationsprozesse oder für die Kontrolle biochemischer Prozesse entwickelt. Auch für die Konstruktion von Nanomaschinen wurden DNA-Moleküle bereits verwendet. Hier macht man sich zunutze, dass doppelsträngige DNA relativ steif, einzelsträngige DNA hingegen flexibel ist. Dadurch lassen sich molekulare Mechanismen erzeugen, in denen sich die steifen Elemente gegeneinander bewegen lassen. Neben molekularen Schaltern wurde bereits eine Vielzahl von „molekularen Läufern“ erzeugt, die sich entlang von DNA-basierten „Schienen“ bewegen können.

Eine naheliegende Entwicklung ist nun die Verwendung von Origami-Konstrukten als strukturelle Komponenten von Nanomaschinen. Diese sind gegenüber „einfacheren“ DNA-Strukturen steifer und mit ihren Ausmaßen von 10-100 nm auch relativ groß. Unser eigenes Labor hat beispielsweise mit der Origami-Technik die bislang größten Rotaxan-Strukturen hergestellt: molekulare Ringe, die auf eine molekulare Stange „gefädelt“ sind und entlang dieser gleiten können – in unserem Falle immerhin über mehrere 100 nm [1].

Elektrische Manipulation von DNA-Origami als hybrider Ansatz für die Nanorobotik

Bisher wurden die meisten dieser DNA-Maschinen chemisch angetrieben. Konformationsänderungen von DNA-Strukturen können z.B. durch Variation der Pufferbedingungen oder durch Zugabe von versteifenden DNA-Strängen erzwungen werden. Da aber DNA-Hybridisierungsreaktionen relativ langsam und die Konzentrationen der Strukturen meist gering sind, erfolgen die resultierenden Bewegungen äußerst langsam. Typische „Läufersysteme“ brauchen damit bislang mehrere Minuten für einen Schritt von nur wenigen Nanometern! Zum Vergleich: Biologische Motorproteine wie Kinesin oder Myosin – durch die Hydrolyse von ATP angetrieben – schaffen es auf einige Mikrometer pro Sekunde.

In dem Bewusstsein, dass inzwischen zwar recht komplexe molekulare Mechanismen mit Hilfe von DNA-Origami gebaut werden können, für ernsthafte Anwendungen der Technik aber immer noch der geeignete Antrieb fehlt, wurde für die hier vorgestellte Technik nun ein vollkommen anderer Ansatz gewählt [2]. Da sich DNA als stark geladenes Molekül wie bei der Elektrophorese mit elektrischen Feldern bewegen lässt, ist es naheliegend, dies auch für die Manipulation von DNA-basierten Nanomaschinen zu verwenden.

Um diesen neuen Ansatz zu demonstrieren, wurde mittels Origami eine quadratische molekulare Plattform mit den Maßen 55 × 55 nm2 gebaut, in deren Mitte ein beweglicher Schwenkarm aus DNA verankert wurde (Abb. 1). Zur elektrischen Manipulation wurde die DNA-Plattformen auf dem Boden einer speziell dafür gefertigte Fluidikkammer mit elektrischen Kontakten platziert. Tatsächlich ließ sich der „Roboterarm“ wie erhofft mit den in der Kammer erzeugten elektrischen Feldern bewegen – computergesteuert konnte der Arm zwischen verschiedenen Andockstellen auf der Oberfläche geschaltet oder auch kontinuierlich rotiert werden (Abb. 2). Dabei gelangen Bewegungen über Distanzen von 100 nm in nur wenigen Millisekunden – und damit mindestens 100000-mal schneller als mit den bisher genutzten Techniken! Neben einfachen Bewegungen konnte auch gezieltes Ablösen und Andocken an bestimmten Positionen gezeigt werden – wobei im Gegensatz zu den früheren Ansätzen auch gegen externe Kräfte gearbeitet werden konnte. Dass mit dem „Roboarm“ auch Nanoobjekte transportiert werden können, wurde mit Hilfe von an den Arm angebundenen Goldpartikeln, deren optische Wechselwirkungen mit Farbstoffen man durch die Bewegung modulieren konnte, gezeigt (Abb. 3).

Ausblick - ist das überhaupt ein Roboter?

Das realisierte System ist kein autonomer Nanoroboter, wie er z.B. für biomedizinische Anwendungen im Körper eines Patienten zur Anwendung käme. Der hier gewählte Ansatz eröffnet dafür aber die Möglichkeit einer hybriden biomolekularen Robotik, bei der die Sensor- und Computer-Komponenten des Systems makroskopisch sind, der molekülmanipulierende Aktuator selbst sich aber auf der Nanoskala befindet. Dadurch wird es im Prinzip möglich, computergesteuert Moleküle an einer Stelle aufzunehmen und an anderer Stelle wieder abzulegen oder auch zu größeren Objekten zusammenzusetzen. Da der elektronische Steuercomputer viel mächtiger ist als ein molekularer Computer, lassen sich auch komplexere Aufgaben durchführen. Denkbar ist z.B. die Implementierung von Echtzeit-Feedbackkontrolle oder die Nutzung von maschineller Intelligenz für die Steuerung.

Neben der naheliegenden – aber schwierig umzusetzenden – Nutzung als molekularer Assembler sind eine Vielzahl anderer Anwendungen für unsere Roboterarme denkbar. So könnte die Bewegung der Arme durch Anbinden von Molekülen messbar beeinflusst werden, was als Sensorprinzip nutzbar wäre. Im Prinzip könnte man mit dem System auch die Stärke von molekularen Wechselwirkungen auf Einzelmolekülebene bestimmen. Im Gegensatz zu etablierten biophysikalischen Techniken wäre der hier vorgestellte Ansatz hochparallel und – da keine komplexen Messapparaturen nötig sind – sogar vergleichsweise kostengünstig.

Autoren
Enzo Kopperger1 und Friedrich C. Simmel1

Zugehörigkeit
1Physik synthetischer biologischer Systeme, Physik-Department und ZNN/WSI, Technische, Universität München, Garching, Deutschland

Kontakt  
Prof. Dr. Friedrich Simmel

Physik synthetischer biologischer Systeme
Physik-Department und ZNN/WSI
Technische Universität München
Garching, Deutschland
simmel@tum.de

Referenzen

[1] J. List, E. Falgenhauer, E. Kopperger, G. Pardatscher, F. C. Simmel, Long-range movement of large mechanically interlocked DNA nanostructures. Nat. Commun. 7,  (2016).
[2] E. Kopperger et al., A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science 359, 296-301 (2018).
 

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