Molekulare Pinzette aus Erbmolekülen

25.08.2002
Forscher der Bell Labs und der Universitä von Oxford erfolgreich in der Nanoelektronik

Wissenschaftler der Bell Labs und der Universität von Oxford haben zusammen die ersten DNA-Motoren entwickelt. DNA ist die englische Abküzung für Desoxyribonukleinsäure (DNS) und bekannt als das Erbmolekül.

Die Anregung zum Bau von DNA-Motoren kam Physiker Bernard Yurke von den Bell Labs durch die Erkenntnis, dass Proteinmotoren molekularer Größe in lebenden Organismen für Muskelkontraktionen und den Transport von Substanzen in Zellen sorgen. Die DNA-Motoren ähneln motorisierten Pinzetten und sind 100.000 mal kleiner als ein Stecknadelkopf. Verwendet man die Herstellungsmethoden bei der Computerproduktion, so lassen sich 1.000 mal leistungsfähigere Systeme als heute herstellen.

Die Forschungsarbeiten an DNA-Motoren gehören zum expandierenden Forschungsgebiet der Nanotechnologie. Bei ihr hat man es mit Abmessungen im Nanometerbereich zu tun (Milliardstel Meter).

Die Wissenschaftler sind der Meinung, dass mit Nanogeräten Computerchips mit bis zu einer Milliarden Transistoren möglich sind und nicht nur Millionen wie bei der heutigen Halbleitertechnologie. Je mehr Transistoren auf einem Chip untergebracht sind, desto größer ist seine Leistungsfähigkeit.

"Diese Technologie hat das Potenzial, die bestehenden Fertigungsmethoden für integrierte Schaltungen zu ersetzen. Schließlich erreichen diese innerhalb der nächsten zehn Jahre ihre praktischen Grenzen, wenn wir mit dem Mooreschen Gesetz an eine Mauer aus Ziegelsteinen stoßen", erklärt Bernard Yurke.

Die DNA, die den Bauplan für alle lebenden Zellen auf molekularer Ebene enthält, ist das ideale Werkzeug für den Bau von Nanogeräten. "Wir haben einfach die Art und Weise genutzt, wie sich Teile der DNA - mit Milliarden möglicher Variationen - nach einem bestimmten Muster zusammenfügen wie die Teile eines Puzzles", so Yurke weiter.

Die Forscher entwarfen Teile aus synthetischer DNA, die sich während der einzelnen Schritte zum Bau von DNA-Motoren gegenseitig erkennen. Deshalb war bei der Montage der Motoren im Reagenzglas ausschließlich DNA notwendig. Da die DNA als Brennstoff für diese Motoren fungiert, arbeiten sie völlig autonom und benötigen für den Betrieb keine weiteren Chemikalien.

Die Selbstmontage der DNA-Motoren ist daher auch ein entscheidender Aspekt für die Herstellung von Nanogeräten. In Anbetracht der Größenverhältnisse erscheint kein anderes Konzept als praktikabel. So lassen sich unter Umständen Nanofertigungstechnologien entwickeln, bei der im Reagenzglas komplexe Strukturen allein durch die geordnete Aneinanderreihung von Molekülen entstehen.

Die Funktion

DNA besteht aus einem Doppelstrang und ähnelt im Aussehen einer verdrehten Leiter. Die Forscher begannen ihre Arbeiten mit drei einzelnen Strängen, die jeweils aussahen wie die Hälfte einer in der Mitte durchtrennten Leiter. Strang A besaß die richtige DNA-Sequenz, die jeweils zu einer Hälfte von Strang B und C passte und somit die Stränge B und C verbinden konnte. Außerdem besaß Strang A eine Art Scharnier zwischen den Teilen, mit denen die Stränge B und C verbunden wurden, sodass die beiden "Arme" AB und AC frei beweglich waren.

Bei dieser DNA-Struktur sind die beiden Arme geöffnet. Schließen lassen sie sich durch Hinzufügen eines DNA-Brennstoffstrangs, der so konzipiert ist, dass er sich an die freien Abschnitte der Stränge B und C anhängt. Um diese Pinzette wieder zu öffnen, wird der Brennstoffstrang durch Hinzufügen eines weiteren Strangs mit der passenden DNA-Sequenz entfernt.

"Die gesamten 30 Trillionen DNA-Pinzetten in ein paar Tropfen einer entsprechenden Lösung lassen sich wiederholt öffnen und schließen, indem man nacheinander Stränge hinzufügt, die entweder als Brennstoff dienen oder diese Brennstoffstränge wieder binden", erläutert Andrew Turberfield, der als Physiker an der Universität von Oxford arbeitet und kürzlich ein Forschungssemester bei den Bell Labs absolviert hat. Die übrigen Wissenschaftler, die an den Forschungen beteiligt waren, sind der Physiker Allen Mills, der aus Deutschland stammende Friedrich Simmel von den Bell Labs sowie Jennifer Neumann, Absolventin an der Rutgers University.

Da die DNA-Motoren zu klein sind, um sie mit herkömmlichen Mikroskopen erkennen zu können, mussten die Forscher das Öffnen und Schließen der DNA-Strukturen mit Hilfe des Fluoreszenzeffektes beobachten. Dabei wird ein Paar von Färbemolekülen an den Enden der DNA-Motoren befestigt. Werden diese Moleküle durch Laserlicht erregt, lässt sich anhand der Menge des entstehenden fluoreszierenden Lichts der Abstand zwischen den beiden Enden ermitteln.

In den Bell Labs arbeiten die Wissenschaftler bereits daran, DNA-Strukturen an elektrisch leitenden Molekülen zu befestigen und so rudimentäre elektronische Schaltungen im molekularen Maßstab zu entwickeln.

Das Unternehmen:

Lucent Technologies entwickelt und vertreibt Systeme, Software, Halbleiter und Serviceleistungen für die Kommunikationsnetze der nächsten Generation, speziell für Service Provider und Unternehmen. Unterstützt von der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Bell Labs konzentriert sich Lucent auf die folgenden wachstumsintensiven Marktsegmente: Breitbandige und mobile Internet-Infrastruktur, Kommunikationssoftware, Halbleiter für Kommunikationsanwendungen und Optoelektronik, Web-basierte Unternehmens-Lösungen, die öffentliche und private Netze verbinden, sowie professionelle Serviceleistungen für Netzdesign und Consulting.

Aus den unternehmenseigenen Forschungs- und Entwicklungszentren, den Bell Labs, sind seit ihrer Gründung elf Nobelpreisträger und etwa 26.000 Patente hervorgegangen. Zwölf Prozent vom Umsatz werden in Forschung und Entwicklung investiert - das entspricht rund zwölf Millionen US-Dollar am Tag. Lucent Technologies beschäftigt weltweit über 153.000 Mitarbeiter, 17.000 in Europa und 3.300 in Deutschland. Im Geschäftsjahr 1999 erzielte Lucent weltweit einen Umsatz von 38,3 Milliarden US-Dollar.

Quelle: Lucent Technologies Deutschland


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