Faszination Technik Ein Nanomotor aus DNA-Material

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Technische Universität München Umwelthygiene

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein molekularer Elektromotor, der sich mit der Methode des DNA-Origami selbst zusammensetzt.

Molekulare Motoren übernehmen in unserem Körper lebenswichtige Aufgaben. Beispielsweise dient das Molekül Adenosintriphosphat (ATP) zum kurzfristigen Speichern und Übertragen von Energie. Es wird mit der sogenannten ATP-Synthase produziert. Ein Nachbau war bislang eine Herausforderung. Nun hat ein Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) einen funktionierenden molekularen Rotationsmotor in Nanogröße mit der Methode des DNA-Origami konstruiert.

Wie der Nanomotor aufgebaut ist

Der neuartige molekulare Motor besteht aus Erbgut-Material. Zum Zusammensetzen des Motors aus DNA-Molekülen verwendeten die Forschenden die Methode des DNA-Origami. Mehrere lange DNA-Einzelstränge dienen dabei als Gerüst. An diesen lagern sich weitere DNA-Stränge als Gegenstücke an. Dabei werden die DNA-Sequenzen so gewählt, dass durch die entsprechenden Anlagerungen und Faltungen die gewünschten Strukturen entstehen.

Sockel, Plattform und Rotorarm sind die drei Komponenten des Nanomotors. Der Sockel ist etwa 40 Nanometer hoch und über chemische Verbindungen auf einer Glasplatte in Lösung verankert. Auf dem Sockel ist ein bis zu 500 Nanometer langer Rotorarm drehbar gelagert. Dazwischen liegt die Plattform. Sie 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 verbiegen, ähnlich wie bei einer Ratsche.

Wie der molekulare Motor funktioniert

Wird über zwei Elektroden Wechselspannung im umgebenden Lösungsmittel angelegt, drehen sich die Rotorarme gezielt und kontinuierlich in eine Richtung. Dabei kann der Motor Drehmomente im Bereich von zehn Piconewton-Nanometer erzielen. Die gerichtete Bewegung der Motoren entsteht durch eine Überlagerung der fluktuierenden elektrischen Kräfte mit den Kräften, die der Rotorarm aufgrund der Ratschenhindernisse erfährt. Der zugrundeliegende Mechanismus entspricht dabei einer sogenannten „Flashing Brown’schen Ratsche“. Die Forschenden können Geschwindigkeit und Richtung der Rotation über die Feldrichtung und auch über die Frequenz und Amplitude der Wechselspannung kontrollieren.

Die Forschenden wollen den Motor so weiterentwickeln, dass er künftig chemische Reaktionen nach dem Vorbild der ATP-Synthase antreiben bzw. produzieren kann.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift Nature

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