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Molekularbiologische Ingenieurskunst im Nanomaßstab

Von Friedrich Simmel, München


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Die DNA-Nanotechnologie macht mit immer größeren molekularen Strukturen, aber auch mit Nanomaschinen und Prototypen für Nanoroboter Furore – handelt es sich hier um einen technologischen Durchbruch, eine Übergangstechnologie auf dem Weg zur zukünftigen synthetischen Biologie oder nur um einen vorübergehenden Hype?

Die Synthetische Biologie und ihre Spielart die Bionanotechnologie haben sich zum Ziel gesetzt, künstliche biologische Komponenten und Systeme herzustellen, wobei ausdrücklich „Ingenieursprinzipien“ genutzt werden sollen. Doch was sind überhaupt Ingenieursprinzipien – und wie sollen sie in der Welt der Biomoleküle angewendet werden?

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Tatsächlich gibt es durchaus Ähnlichkeiten zwischen biologischen und technischen Systemen: Beide sind beispielsweise bis zu einem gewissen Grad modular und hierarchisch aufgebaut. In der Technik ist Modularität eine wichtige Eigenschaft, die den Aufbau komplexer Systeme überhaupt erst ermöglicht – Standards und definierte Schnittstellen zwischen verschiedenen Komponenten erlauben es Ingenieuren, getrennt an Teilstrukturen einer komplexen Apparatur zu arbeiten und diese dann zu einer funktionierenden Einheit zusammenzusetzen.

Anstatt einmaliger Artefakte kann man durch Modularität technische Systeme reproduzierbar und auch in großer Stückzahl herstellen. Computersysteme sind ebenso modular und hierarchisch aufgebaut. Nicht zuletzt deswegen können heute sogar Kinder mit Smartphones und Tablet-Computern spielen – man muss nur das „I/O“-Modul (Eingabe/Ausgabe-Modul) bedienen können ohne den Rest der darunterliegenden Module verstehen zu müssen.

Auch in der Biologie erkennt man eine Organisation in Funktionseinheiten: Organe, Zellen, Organellen, biologische Makromolekülkomplexe und ihre Bestandteile. Der Grund für die vorherrschende Modularität in der Biologie ist evolutionärer Natur – funktionierende Strukturen und Prozesse sind konserviert, werden vererbt, kopiert und immer wieder verwendet. Modularität bedeutet auch, dass eine lebende Zelle nicht einfach nur ein amorpher Behälter voller Chemikalien ist, sondern eine interne Struktur aufweist, sodass wir ihren verschiedenen Komponenten sogar eine bestimmte Funktion zuweisen können – die eine ist für das Kopieren von Erbinformation verantwortlich, die andere für den Transport von Stoffen durch die Zelle, et cetera.

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Es ist daher naheliegend, dass sich im Laufe der Zeit gewisse Analogien zwischen Technik und Biologie eingebürgert haben. So sind die Mitochondrien die „Kraftwerke der Zelle“ und viele Enzyme werden neuerdings auch von Biologen als „Nanomaschinen“ bezeichnet. Solche Analogien suggerieren auch ein wenig, dass es eines Tages möglich sein sollte, künstliche technische Systeme zu bauen, die „biologieähnlich“ sind – also biologisches Maschinenwesen.

Leider muss man feststellen, dass biologische Systeme und Moleküle, und damit auch molekulare Maschinen, sich anders verhalten, als wir es von der makroskopischen Welt gewohnt sind. Schließlich handelt es sich um Moleküle in einer wässrigen Salzlösung bei typischen Temperaturen von 25 bis 40 Grad Celsius. Die Brownsche Molekularbewegung dominiert die Dynamik dieser Systeme und die auf ein biologisches Molekül wirkenden thermischen Kräfte übertreffen die von ihnen effektiv erzeugten bei weitem. Tatsächlich nutzen biologische Maschinen die Brownsche Bewegung eher, als gegen sie zu arbeiten – sie schaffen es gleichsam, die zufällige Molekularbewegung „gleichzurichten“ (im Nichtgleichgewicht ist das erlaubt und verstößt nicht gegen den zweiten Hauptsatz).

Das Studium biologischer molekularer Maschinen der vergangenen Jahrzehnte hat unser Verständnis der zugrundeliegenden physikochemischen Prozesse gefördert. Bis zu einem gewissen Grad „wissen“ wir inzwischen, was diese Maschinen ausmacht, und wie sie eventuell zu realisieren sind. Typisch für alle molekularen Maschinen ist, dass sie aus mehreren erkennbaren molekularen Untereinheiten bestehen. Ihre Funktion beruht auf deren Zusammenspiel und kann von den Einzelteilen alleine nicht erzeugt werden. Ein Spezialfall sind molekulare Motoren, die chemische Energie in gerichtete Bewegung umwandeln.

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Mittels chemischer Synthese hat die supramolekulare Chemie bereits eine Reihe maschinenartiger Moleküle erzeugt – hierzu zählen Moleküle, die um eine Achse (häufig eine kovalente Bindung) rotieren sowie ringförmige Moleküle, die miteinander verkettet sind oder entlang einer Achse gleiten. 2016 wurde sogar der Chemie-Nobelpreis für die Entwicklung dieser molekularen Maschinen verliehen – für manche überraschend, da diese faszinierende Teildisziplin der Chemie bislang keinerlei echte Anwendungen hat: Molekulare Maschinen sind bislang nur das Versprechen für eine Technologie der Zukunft.

Im Vergleich zu den kleinen Strukturen der supramolekularen Chemie sind typische biologische Maschinen extrem leistungsfähig –aber auch riesig! Zu ihnen zählen molekulare Rotoren wie der bakterielle Flagellen-Motor, die ATP-Synthase, die molekularen Linear-Motoren Myosin, Dynein und Kinesin, aber auch Synthese-Maschinen wie DNA- und RNA-Polymerasen oder die Ribosomen. Die De-novo-Erzeugung dieser Maschinen ist für die Synthetische Biologie bislang außer Reichweite – und auch erste Versuche, natürliche Motoren zu modifizieren und für nicht-biologische Zwecke zu nutzen, waren bislang nur mäßig erfolgreich.

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An diesem Punkt kommt die DNA-Nanotechnologie ins Spiel, die den Brückenschlag zwischen Nanotechnologie und molekularer Biologie herstellt. DNA ist zwar ein Biomolekül, sie wird in der Biologie aber nicht für strukturelle Zwecke, und erst recht nicht als Komponente molekularer Maschinen genutzt. In der DNA-Nanotechnologie wird das Erbmolekül tatsächlich vollkommen zweckentfremdet.

Was DNA für den molekularbiologischen Ingenieur interessant macht, ist die berühmte Basenpaarungs-Wechselwirkung, die zwei DNA-Einzelstränge mit komplementärer Sequenz zusammenhält. Hinzu kommt, dass doppelsträngige DNA, als Polymer betrachtet, mechanisch wesentlich steifer ist als einzelsträngige. Daher kann über die Sequenz von DNA-Molekülen „programmiert“ werden, ob sie aneinander haften oder nicht, und damit auch, ob sie mechanisch steife oder eher flexible Strukturen bilden.

Bereits um 2000 wurden die ersten molekularen Schalter und Maschinen aus DNA hergestellt, die diese mechanischen Eigenschaften der DNA nutzten [1]. Durch reversibles Versteifen flexibler Regionen einer Molekülstruktur konnten zum Beispiel einfache Kontraktions- oder Streckbewegungen erzeugt werden. Einige qualifizierten sich damit sogar als molekulare Motoren, da sie tatsächlich chemische Energie in Form freier Enthalpie der Basenpaarung, in gerichtete Molekülbewegung umsetzen konnten.

2006 wurde die DNA-Nanotechnologie durch die Entwicklung der „DNA-Origami“-Technik durch Paul Rothemund revolutioniert [2]. Sie ermöglichte, nahezu beliebig geformte Objekte aus DNA-Molekülen zu modellieren. Die Technik greift zwar auf frühere Konzepte der DNA-Nanotechnologie zurück, nutzt aber im Gegensatz zu diesen einen mehrere tausend Nukleotide langen DNA-Gerüststrang, der durch Hybridisierung mit hunderten kürzerer Oligonukleotide in eine bestimmte Form „gefaltet“ wird.

Die resultierenden Origami-Strukturen bestehen üblicherweise aus vielen parallel verlaufenden und miteinander verknüpften DNA-Doppelhelices. Mit typischen Dimensionen von zehn bis hundert Nanometern sind sie deutlich größer und vor allem auch steifer als die molekularen Strukturen der prä-Origami-Zeit.

Der auf sequenzspezifischer DNA-Basenpaarung basierende Origami-Prozess verläuft so verlässlich, dass der Entwurf der Strukturen hauptsächlich auf der Sequenz-Ebene möglich ist. Es müssen nur bestimmte „Designregeln“ befolgt werden, molekular detaillierte Simulationen sind nicht nötig. So können auch Nutzer ohne tiefere Kenntnisse der Biochemie komplexe DNA-Nanostrukturen mithilfe von CAD-Programmen designen. Im Prinzip lassen sich DNA-Elemente auch modular wiederverwenden und zusammensetzen. Dies ist bislang vielleicht das einzige Beispiel von „molekularem Engineering“, das nicht auf der molekularen, sondern auf einer höheren Abstraktionsebene stattfindet.

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Es ist daher naheliegend, dass mehrere Arbeitsgruppen seit einiger Zeit versuchen, Nanomaschinen – oder zumindest Bauteile für Nanomaschinen – mithilfe der Origami-Technik herzustellen. Die Größe und erhöhte Steifigkeit der Strukturen führt dazu, dass diese tatsächlich ein wenig wie makroskopische Maschinenelemente wirken. Es handelt sich also eher um „mesoskopische“ Strukturen – angesiedelt irgendwo zwischen molekularer und klassischer Maschinerie.

Zu Publicity-Zwecken nutzen viele Forscher die Origami-Technik, um molekulare Skulpturen aus DNA zu kreieren, die gewisse Eigenschaften oder Anwendungen suggerieren – Smiley-Gesichter, Zahnräder, Buchstaben, Robotergestalten und Universitätslogos. Dem unerfahrenen Betrachter ist dabei leider nicht klar, dass die meisten dieser Strukturen nur molekulare Kunstwerke sind, die keinerlei Funktion ausführen. In anderen Worten – man kann leicht DNA-Strukturen erzeugen, die aussehen wie Maschinen, es ist aber schwer, sie tatsächlich zum Laufen zu bringen.

Die bisher verwendeten Antriebe für DNA-Maschinen sind zu langsam, zu umständlich oder aus anderen Gründen für Anwendungen unbrauchbar. Die häufig eingesetzte DNA-Hybridisierung ist beispielsweise ein recht langsamer Prozess und für den Antrieb schneller molekularer Motoren ungeeignet. Nichtsdestotrotz ist ihre hohe Sequenzspezifität nützlich für die Ankopplung DNA-basierter Maschinen an biologische Prozesse. Schnelleres Schalten durch Änderung von Salzkonzentrationen oder pH-Wert ist möglich, allerdings erfordert ein zyklischer Betrieb hierfür entsprechende Vorrichtungen.

Ein autonomer Antrieb von DNA-Maschinen durch einen effizienten enzymatischen Zyklus, wie bei den natürlichen ATP-verbrauchenden molekularen Maschinen, ist derzeit nicht in Sicht – und wird alleine auf Basis von DNA vermutlich nicht realisierbar sein.

Die Wahl des Antriebs der Maschinen hängt mit ihrer möglichen Anwendung zusammen. Sollen sie selbsttätig vor sich hinlaufen oder extern angetrieben werden? Sollen sie innerhalb eines Organismus funktionieren, im biologischen Milieu, oder für nicht-biologische, technische Zwecke Verwendung finden? Als Hauptanwendungen für DNA-Nanomaschinen werden meist die Nanomedizin sowie die Nanofabrikation genannt.

In der Nanomedizin könnten molekulare Maschinen eingesetzt werden, die krankheitsrelevante Marker detektieren können und als Antwort pharmazeutisch wirksame Stoffe freisetzen. So lassen sich bereits heute mit der Origami-Technik schaltbare Behälter erzeugen, die mit einer molekularen Fracht beladen werden können, die stimuliert durch die Anwesenheit bestimmter Moleküle freigegeben wird. Naheliegende molekulare Inputs sind hier RNA-Moleküle, etwa mRNAs oder mikroRNAs, die direkt über einen Hybridisierungsmechanismus mit den Maschinen wechselwirken. Solche Anwendungen erfordern allerdings einen Transport der Maschinen in die Zelle hinein. Andere, extrazelluläre Ansätze basieren auf der Erkennung molekularer Marker auf Zelloberflächen, was zum Beispiel mithilfe integrierter Aptamer-Komponenten bewerkstelligt werden kann [3].

Während die langsame Operation der DNA-Maschinen in diesen Anwendungen kein Problem darstellt, ist die geringe Stabilität der Strukturen im biologischen Milieu problematisch – niedrige Salzkonzentrationen und die Anwesenheit von Nukleasen können DNA-Origami-Strukturen leicht zerstören. Allerdings wurden in den letzten Jahren verschiedene Strategien zu deren Stabilisierung oder auch Verpackung entwickelt. Auch die Kosten für die DNA-Synthese sind nicht mehr limitierend, für die Hochskalierung der DNA-Origami-Produktion wurde kürzlich sogar ein biotechnologischer Ansatz vorgestellt [4].

Die Nanofabrikation stellt die Wissenschaftler vor ganz andere Herausforderungen – die Zielsetzung ist hier eine „molekulare Transportlinie“, auf der man molekulare Komponenten oder Nanopartikel gemäß eines vorgegebenen Programms zu komplexeren Strukturen zusammensetzen kann. Die Umgebungsbedingungen werden von der verwendeten Assembly-Chemie bestimmt – und umgekehrt definieren die mit DNA-Strukturen verträglichen Bedingungen die verwendbare Chemie, und das bedeutet in diesem Kontext nach wie vor: wässrige Salzlösungen. Grundsätzlich wurden schon Systeme mit molekularen „Läufern“ entwickelt. Die Läufer bewegen sich an Bahnen entlang, die durch DNA-Origami-Plattformen definiert werden und transportieren zum Beispiel Nanopartikel auf unterschiedlichen programmierbaren Wegen.

Im Gegensatz zu nanomedizinischen Anwendungen ist die niedrige Geschwindigkeit DNA-basierter Mechanismen aber ein Problem – wie sollen die Systeme ernsthaft für die Produktion großer Stoffmengen verwendet werden, wenn jeder Assembly-Prozess mehrere Stunden dauert?

Solange keine schnellen chemischen Antriebe für DNA-Maschinen entwickelt werden, sind hybride Ansätze ein möglicher Ausweg. So wurden bereits magnetische und elektrische Antriebe für DNA-basierte Nanomaschinen realisiert, die eine präzise, computergesteuerte Kontrolle und bis zu millionenfach höhere Schaltgeschwindigkeiten ermöglichen [5]. Vielleicht ist mit diesen biohybriden Systemen tatsächlich eine additive Fertigung auf der Nanoskala erreichbar.

Seit einiger Zeit sprechen DNA-Nanotechnologen nicht mehr nur von „molekularen Maschinen“ sondern sogar von „Nanorobotern“. In manchen Fällen ist dies leider schlicht Overselling, denn viele der sogenannten Nanoroboter sind noch immer nur molekulare Mechanismen und Maschinen (wenn überhaupt). In anderen Fällen ist aber eine Entwicklung von DNA-Nanosystemen hin zu größerer Komplexität und Programmierbarkeit deutlich zu erkennen.

Was soll überhaupt ein Roboter auf der Nanoskala sein? Robotiksysteme sind integrierte technische Systeme aus Sensoren und Aktuatoren, die mithilfe einer Computersteuerung koordiniert werden. Der Computer bewertet die sensorische Information und entscheidet, welche Aktion auszuführen ist. Während manche Roboter nur starr vorprogrammierte Arbeitsabläufe kennen, sind viele Systeme neuerdings dank Maschinenintelligenz lernfähig.

Im Prinzip ist DNA das ideale Molekül für die Nanorobotik – neben schaltbaren molekularen Strukturen, die als Sensoren und Aktuatoren agieren können, kann DNA gemäß ihrer ursprünglichen biologischen Rolle auch Informationen speichern. Zudem lassen sich auch einfache Computerfunktionen, wie zum Beispiel logische Schaltungen einbauen. Die Integration dieser Funktionen in ein konsistentes molekulares System würde also tatsächlich so etwas wie einen Nanoroboter ergeben.

Allerdings sollte man am Ende nicht zu viel von nanoskaligen Robotiksystemen erwarten. Ihre Computerpower ist letztlich sehr begrenzt, und mehr als ein paar einfache „festverdrahtete“ Entscheidungsprozesse sind kaum machbar. Systeme mit interessanteren Verhaltensweisen oder gar Lernfähigkeit und „Intelligenz“ müssten deutlich komplexer sein und statt aus einzelnen Molekülstrukturen aus einer Vielzahl miteinander interagierender Komponenten bestehen – wie es zum Beispiel bei lebenden Zellen der Fall ist.

Um auf die eingangs gestellte Frage zurückzukommen – ist die DNA-Nanotechnologie eine Übergangstechnologie oder wird sie bleiben? Zumindest im Moment spielt die DNA-Nanotechnologie eine Vorreiterrolle für eine zukünftige Technologie, mit der wir molekulare Assembly-Prozesse vollkommen kontrollieren können. Ein ganz entscheidender Aspekt ist hierbei die Programmierbarkeit der DNA-Sequenz, die das modulare, rationale Design molekularer Strukturen überhaupt erst erlaubt. Allerdings wissen wir am biologischen Beispiel, dass man aus Proteinen bessere molekulare Maschinen bauen kann als bislang mithilfe von DNA. Die Frage ist also, ob wir DNA so modifizieren können, dass sie für diese Anwendungen besser geeignet ist, oder ob wir lernen, mit anderen molekularen Substraten ähnliches zu bewerkstelligen.

So oder so wird sich das Feld im Laufe der Zeit wandeln, und statt nur mit DNA zu arbeiten, werden immer mehr chemische Modifikationen verwendet werden und auch Kombinationen mit anderen biologischen Molekülen an Bedeutung gewinnen.

Vielleicht – und das wäre ein Erfolg – wird man in wenigen Jahren die Begriffe „DNA-Nanotechnologie“ oder „DNA-Origami“ gar nicht mehr verwenden, da deren Konzepte und Techniken längst zum Standardrepertoire der Biotechnologie gehören.


Referenzen

[1] Yurke, B., Turberfield, A.J., Mills, A.P., Simmel, F.C. and Neumann, J.L. (2000) A DNA-fuelled molecular machine made of DNA. Nature, 406, 605-608.

[2] Rothemund, P.W.K. (2006) Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature, 440, 297-302.

[3] Li, S., Jiang, Q., Liu, S., Zhang, Y., Tian, Y., Song, C., Wang, J., Zou, Y., Anderson, G.J., Han, J.-Y. et al. (2018) A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nat. Biotechnol., 36, 258-264.

[4] Praetorius, F., Kick, B., Behler, K.L., Honemann, M.N., Weuster-Botz, D. and Dietz, H. (2017) Biotechnological mass production of DNA origami. Nature, 552, 84-87.

[5] Kopperger, E., List, J., Madhira, S., Rothfischer, F., Lamb, D.C. and Simmel, F.C. (2018) A self-assembled nanoscale robotic arm controlled by electric fields. Science, 359, 296-301.


Zum Autor

Friedrich Simmel ist Inhaber des Lehrstuhls für Physik Synthetischer Biosysteme an der Technischen Universität München. Seine Gruppe versucht, mithilfe von DNA-Origami molekulare Nanoroboter zu konstruieren, die wie ihre Vettern aus der Makrowelt steuerbar sind und konkrete Funktionen ausführen.


Letzte Änderungen: 03.07.2018

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