Erster elektrischer Nanomotor aus DNA-Material

Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, einen molekularen Elektromotor mit der DNA-Origami-Methode herzustellen. Die winzige Maschine aus genetischem Material baut sich selbst zusammen und wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Die neuen Nanomotoren lassen sich ein- und ausschalten, die Forscher können Drehzahl und Drehrichtung steuern.

Ob in unseren Autos, Bohrmaschinen oder Kaffeemühlen – Motoren unterstützen uns im Alltag bei der Bewältigung verschiedenster Aufgaben. In viel kleinerem Maßstab erfüllen natürliche molekulare Motoren lebenswichtige Aufgaben in unserem Körper. Beispielsweise produziert ein Motorprotein namens ATP-Synthase das Molekül Adenosintriphosphat (ATP), das unser Körper zur kurzfristigen Speicherung und Übertragung von Energie verwendet.

Während natürliche molekulare Motoren unerlässlich sind, war es ziemlich schwierig, Motoren in dieser Größenordnung mit mechanischen Eigenschaften nachzubilden, die denen natürlicher molekularer Motoren wie ATP-Synthase in etwa ähneln. Ein Forschungsteam hat nun einen funktionierenden molekularen Rotationsmotor im Nanomaßstab mithilfe der DNA-Origami-Methode konstruiert und seine Ergebnisse in veröffentlicht Natur. Das Team wurde geleitet von Hendrik Dietz, Professor für Biomolekulare Nanotechnologie an der TUM, Friedrich Simmel, Professor für Physik synthetischer biologischer Systeme an der TUM, und Ramin Golestanian, Direktor am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.

Ein selbstorganisierender Nanomotor

Der neuartige molekulare Motor besteht aus DNA – genetischem Material. Die Forscher nutzten die DNA-Origami-Methode, um den Motor aus DNA-Molekülen zusammenzusetzen. Diese Methode wurde 2006 von Paul Rothemund erfunden und später vom Forschungsteam der TUM weiterentwickelt. Mehrere lange DNA-Einzelstränge dienen als Basis, an die sich weitere DNA-Stränge als Gegenstücke anheften. Die DNA-Sequenzen werden so ausgewählt, dass die angehängten Stränge und Faltungen die gewünschten Strukturen erzeugen.

„Wir haben diese Herstellungsmethode über viele Jahre vorangetrieben und können nun sehr präzise und komplexe Objekte entwickeln, etwa molekulare Schalter oder Hohlkörper, die Viren einfangen können. Bringt man die DNA-Stränge mit den richtigen Sequenzen in Lösung, entstehen die Objekte.“ selbst zusammenbauen“, sagt Dietz.

Der neue Nanomotor aus DNA-Material besteht aus drei Komponenten: Basis, Plattform und Rotorarm. Die Basis ist etwa 40 Nanometer hoch und wird in Lösung über chemische Bindungen auf einer Glasplatte auf einer Glasplatte fixiert. Auf der Basis ist ein bis zu 500 Nanometer langer Rotorarm drehbar gelagert. Damit der Motor wie vorgesehen funktioniert, ist eine weitere Komponente entscheidend: eine Plattform, die zwischen Basis und Rotorträger liegt. Diese Plattform enthält Hindernisse, die die Bewegung des Rotorarms beeinflussen. Um die Hindernisse zu passieren und sich zu drehen, muss sich der Rotorarm ein wenig nach oben biegen, ähnlich wie bei einer Ratsche.

Gezielte Bewegung durch Wechselspannung

Ohne Energiezufuhr bewegen sich die Rotorarme der Motoren zufällig in die eine oder andere Richtung, angetrieben durch zufällige Kollisionen mit Molekülen aus dem umgebenden Lösungsmittel. Sobald jedoch über zwei Elektroden Wechselspannung angelegt wird, drehen sich die Rotorarme gezielt und kontinuierlich in eine Richtung.

„Der neue Motor verfügt über beispiellose mechanische Fähigkeiten: Er kann Drehmomente im Bereich von 10 Piconewton mal Nanometer erreichen. Und er kann mehr Energie pro Sekunde erzeugen, als bei der Spaltung zweier ATP-Moleküle freigesetzt wird“, erklärt Ramin Golestanian, der die theoretische Analyse leitete des Mechanismus des Motors.

Die gezielte Bewegung der Motoren ergibt sich aus einer Überlagerung der schwankenden elektrischen Kräfte mit den Kräften, die der Rotorarm aufgrund der Ratschenhindernisse erfährt. Der zugrunde liegende Mechanismus realisiert eine sogenannte „blinkende Brownsche Ratsche“. Über die Richtung des elektrischen Feldes sowie über die Frequenz und Amplitude der Wechselspannung können die Forscher Geschwindigkeit und Drehrichtung steuern.

„Der neue Motor könnte in Zukunft auch technische Anwendungen finden. Wenn wir den Motor weiterentwickeln, könnten wir ihn möglicherweise in Zukunft nutzen, um benutzerdefinierte chemische Reaktionen anzutreiben, inspiriert davon, wie ATP-Synthase ATP durch Rotation angetrieben macht. Dann zum Beispiel.“ Mit solchen Motoren ließen sich Oberflächen dicht beschichten. Dann würde man Ausgangsstoffe hinzufügen, etwas Wechselspannung anlegen und die Motoren produzieren die gewünschte chemische Verbindung“, sagt Dietz.