Grundlagenforschung Von DNA-Strängen und Nanoporen

DNA-Stränge können zu Dreiecken, Smilies oder sogar zu Teddybären geformt werden – oder auch zu Nanoporen.
DNA-Stränge können zu Dreiecken, Smilies oder sogar zu Teddybären geformt werden – oder auch zu Nanoporen.

In der Grundlagenforschung verschwinden die Grenzen zwischen Physik, Chemie und Biologie, denn am Ende ist eh alles Energie. Physiker basteln mit DNA-Strängen und präzise Messgeräte können in der Zukunft Leben retten.

Ein entscheidender Schritt von der Ursuppe zum ersten Lebewesen war die Entstehung von – Membranen. Sie ermöglichten, dass sich in der großen Ursuppe kleine Untereinheiten vom Rest der Umgebung abtrennen konnten und so die ersten Zellen entstanden.

Grundbaustein für Membranen sind sogenannte Lipide, kleine polare Moleküle, die einen wasseraffinen (hydrophilen) Kopf und einen wasserscheuen (hydrophoben) Rest besitzen. In wässriger Umgebung fügen sich die Lipide von selbst so zusammen, dass die wasserscheuen Reste sich zusammenlagern und eine dünne Schicht zwischen den wasseraffinen Köpfen bilden. Die Membranen können dabei Hohlkugeln formen, modifizierte Varianten der Außenhüllen von Zellen. Membranen erfüllen dabei zwei wichtige Aufgaben:

  • Sie etablieren eine physische Grenze. So können innerhalb der Zelle verschiedene Moleküle eingeschlossen werden und miteinander reagieren. Außerdem ermöglichen sie unterschiedliche Ionenkonzentrationen zwischen Innen und Außen. Dadurch entsteht ein Ionengra­dient, also ein Ungleichgewicht zwischen der Ionenkonzentration zwischen Innen und Außen, wodurch sich über ein paar weitere chemische und physikalische Schritte Energie gewinnen lässt.
  • Membranen können in sich selbst hydrophobe Proteine beherbergen (Bild 1), die sich in Mikrodomänen, sogenannten Lipidflößen, selbst organisieren. Die zweidimensionale Membranoberfläche erlaubt, dass sich Reaktionspartner schneller finden als im dreidimensionalen Raum der Zelle. Die zusätzliche Unterorganisation in Lipidflößen beschleunigt die Reaktion zwischen den Molekülen zusätzlich.

Was rein muss, muss auch raus

Jetzt haben wir eine Zellhülle die nichts rein oder raus lässt. Das reicht aber nicht, wir wollen schließlich komplexe Organismen die aus vielen Zellen bestehen. Entscheidend für den Austausch von Molekülen zwischen Innen und Außen sind Bausteine, die sich in Membranen einbauen und gleichzeitig durchlässig für Moleküle sind: die Nanoporen. Die Nanoporen kann man sich am besten als kleine Tunnel in den Membranwänden vorstellen. In der Natur vorkommende Poren sind Proteine, also Aminosäureketten. Die Abfolge dieser Aminosäuren (oder Kettenglieder), bestimmt für jede einzelne der natürlich vorkommende Nanopore, welche Form sie annimmt: dicker, dünner, größer oder kleiner – aber immer spiegelsymmetrisch. Die Nanoporen unterscheiden sich also in ihrem Porendurchmesser und in ihrer Länge. Da manche Aminosäuren Ladungen besitzen, sind einige Nanoporen an der engsten Durchgangsstelle geladen. Die Durchgangsstellen wachen kritisch darüber, dass nur bestimmte Ionen die Nanopore passieren können. Einige Kanäle unterscheiden nur nach Größe, andere wie Natriumionenkanäle lassen nur ein Molekül mit passender Größe und Ladungsverteilung hindurch – das Natriumion. Darüber hinaus können bestimmte Poren sich bei Spannungs- oder Druckänderungen öffnen, was existen­ziell für die Weitergabe von Nervenimpulsen oder den Herzschlag ist.

Solche Nanoporen versuchen Wissenschaftler nachzubauen – Richard P. Feynmans Aussage folgend: »Was ich nicht erschaffen kann, verstehe ich nicht.« Leider ist die Neuerschaffung von Nanoporen aus Aminosäureketten problematisch: die Vorhersage, wie von Wissenschaftlern entworfene Aminosäureketten falten, ist schwer zu tätigen. Nanoporen, welche de novo aus Aminosäuren designt werden, stellen eine Herausforderung dar, an der noch gearbeitet wird. Bisher greifen wir daher hauptsächlich auf ein anderes Baumaterial zurück: Desoxyribonukleinsäure, besser bekannt als DNA.

DNA stellt man sich als Doppelhelix vor, als gedrehte Leiter. Die beiden DNA-Stränge bilden die vertikalen Seiten der Leiter und stellen jeweils eine Hälfte jeder Stufe dar. Trennt man die Helix in der Mitte, erhält man je einen einzelnen Strang (halbe Leiter). Jedoch können nur zwei Einzelstränge mit der genau passenden Sequenz wieder eine Doppelhelix bilden. Wählt man die Sequenzen vieler solcher einzelner Stränge nun geschickt aus, kann man diese zu völlig neuen Formen zusammenfügen – zweidimensional zu Dreiecken, zu Smilies, zur Mona Lisa oder dreidimensional zu Boxen, zu Vasen, zu Teddybären. Oder eben zu Nanoporen. Die von den natürlichen Nanoporen aus Aminosäuren inspirierten Nachbildungen aus DNA besitzen die gleiche Struktur und sind von ähnlicher Größe, wie ihre natürlichen Gegenstücke. Der Nachweis des korrekten Baus der Strukturen wird über ein Transmissionselek­tronenmikroskop (TEM) dargebracht: ein TEM erlaubt die Abbildung von Strukturen (Bild 2) mittels eines Elek­tronenstrahls. Vereinfacht ausgedrückt: wenn es aussieht wie eine Nanopore haben wir alles richtig gemacht.