Deutsche Version siehe unten
Not only paper origami artists can create impressive structures by folding – but also nature. Using the molecular construction principle of the genome, two and three-dimensional structures can be created with a technology called DNA Origami.
Researchers have already developed and realized a wide variety of DNA nanostructures (Figure 1). Functional objects such as hinges, grippers, rotors and even a robot with movable arms are possible today – all made of DNA molecules.
But how are DNA origami structures created from a DNA strand?
Figure 1: DNA origami diversity: A large number of different structures on the nanometer scale have already been realized with DNA Origami technology. Picture: Eurofins
In 2006, Paul Rothemund from the California Institute of Technology developed a technique that makes it possible to bend a long DNA strand into various shapes. He called this folding technique for DNA: DNA Origami. Just like paper origami, DNA origami enables the formation of two and three-dimensional structures. Instead of folding a sheet of paper, a long DNA strand is folded into the desired object using many small DNA strands.
The long scaffold strand is taken from bacteria. The sequence of this long single stranded DNA, the scaffold, is known. This makes it possible to design exact complementary, shorter DNA sequences “staples” that can bind to specific sites in the long DNA strand.
Scaffold and staple strands can assemble themselves in a single step (Figure 2). In this process, exactly opposite strands always find each other and connected. This results in very stable and nanometer-precise structures, for example objects such as octahedrons, boxes or hinges.
Figure 2: Self-assembly of DNA origami structures. Short DNA strands recognize their precise counterparts on the long scaffold DNA and can thus deform them. Picture: Liedl Group LMU
DNA Origami therefore is a self-assembling method with which it is possible to form a wide variety of structures with nanometer precision.
Why do we want to bring DNA Origami structures to the International Space Station?
The next step will be to extend the material by the nanometer level and to build larger structures. One thinks here of crystal formation, where millions of DNA origami structures make up a large, very stable structure. But building macroscopic 3D DNA origami crystals is an unsolved task so far. Crystals are very regular structures with defined distances, this property can be exploited to produce nanoelectronic components for a DNA computer, for example.
The elucidation of the atomic structure of a biomolecule is an essential step in the development of a suitable drug against it. However, this process often takes several years and is very expensive. A crystal lattice of DNA origami could be used as a host for guest molecules whose structure needs to be determined. DNA origami crystals could therefore be used in medicine to elucidate the structure of biomolecules and make smart drug design.
So far however, it has not been possible to produce uniform crystals on earth that would be necessary for further processing. One possible reason could be Earth’s gravity. Microgravity provides optimal conditions for crystal growth.
The ISS thus offers the unique opportunity to study the behaviour of the new material in microgravity and to exploit the positive effects of microgravity to grow a 3D-DNA Origami crystal. These crystals could make it possible to break new ground in robotics, computer science, materials science, medicine and drug development.
The analysis of DNA origami crystals grown in microgravity will help researchers better understand the precise conditions for producing the highest quality, error-free crystals. The knowledge gained supports the commercial expansion of the production of DNA Origami crystals on Earth.
More information on DNA Origami and the possibilities of this technique:
https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_casts_a_spell_with_dna
https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_details_dna_folding
DEUTSCHE VERSION
Nicht nur Papier Origami Künstler können beeindruckende Strukturen durch Falten erschaffen – sondern auch die Natur. Nach dem molekularen Bauprinzip des Erbgutes können mit einer Technik die sich DNA-Origami nennt beliebige Zwei- und Dreidimensionale Strukturen erschaffen werden.
Forscher haben bereits verschiedenste DNA-Nanostrukturen entwickelt und realisiert (Abbildung 1). Auch funktionale Objekte wie Scharniere, Greifer, Rotoren und sogar einen Roboter mit beweglichen Armen sind heutzutage möglich – alle aus DNA-Molekülen.
Abbildung 1: DNA-Origami Vielfalt. Eine große Menge an unterschiedlichsten Strukturen auf der Nanometerebene wurden bereits mit DNA-Origami Technik realisiert.
Doch wie entstehen DNA-Origami Strukturen aus einem DNA Strang?
Im Jahr 2006 entwickelte Paul Rothemund vom California Institute of Technology eine Technik, die es ermöglicht einen langen DNA Strang in verschiedenste Formen zu biegen: DNA-Origami. DNA-Origami ermöglicht es wie Papier Origami, zwei- und drei-dimensionale Strukturen zu formen. Statt ein Blatt Papier zu falten, faltet man einen langen DNA Strang mithilfe von vielen kleinen DNA Strängen zu dem gewünschten Objekt.
Der Gerüststrang wird aus Bakterien entnommen und liegt als Einzelstrang vor. Die Sequenz dieses langen DNA-Strangs, des Gerüsts, ist bekannt. Das macht es möglich, exakt komplementäre, kürzere DNA-Sequenzen (Klammern) zu entwerfen, die an bestimmte Stellen im langen DNA-Strang binden können.
Abbildung 2: Selbstassemblierung von DNA-Origami Strukturen. Kurze DNA-Stränge erkennen ihre passgenauen Gegenstücke auf der langen Gerüst-DNA und können diese so verformen. Bild: Eurofins
Klammer- und Gerüststränge können sich in einem einzigen Schritt selbst zusammensetzen (Abbildung 2). Diesen Vorgang nennt man Selbstassemblierung. Dabei finden und verbinden sich immer genau gegensätzliche Stränge. So entstehen sehr stabile und nanometerpräzise Strukturen, wie zum Beispiel Objekte wie Oktaeder, Boxen oder Scharniere .
DNA-Origami ist also eine selbstassemblierende Methode, mit der es möglich ist, beliebige Strukturen mit Nanometerpräzision zu formen.
Wieso wollen wir nun DNA-Origami Strukturen auf die Internationale Raum Station bringen?
Der nächste Schritt des neuen Materials DNA-Origami ist, das Material um die Nanometer-Ebene zu erweitern und größere Strukturen zu bauen. Hier denkt man an Kristallbildung, wo sich aus Millionen von DNA-Origami Strukturen eine große, sehr stabile Struktur zusammensetzt. Kristalle sind sehr regelmäßige Strukturen mit definierten Abständen, diese Eigenschaft kann man ausnutzen um beispielsweise nanoelektronische Komponenten für einen DNA-Computer herzustellen.
Die Struktur eines Biomoleküls aufzuklären ist ein essenzieller Schritt um einen geeigneten Wirkstoff dagegen zu entwickeln. Dieser Vorgang dauert jedoch oft mehrere Jahre und ist mit einem großen Kostenaufwand verbunden. Ein Kristallgitter aus DNA-Origami könnte als „host“ für Gastmoleküle verwendet werden deren Struktur man aufklären möchte. DNA-Origami Kristalle könnten also in der Medizin zur Strukturaufklärung von Biomolekülen Anwendung finden.
Bisher gelang es jedoch nicht, auf der Erde gleichmäßige Kristalle herzustellen, die für eine weitere Verarbeitung, beispielsweise zu Nano-Werkzeugen, nötig wären. Ein möglicher Grund könnte die Erdgravitation sein.
In Mikrogravitation herrschen optimale Bedingungen für Kristallwachstum.
Die ISS bietet also die einzigartige Möglichkeit, das Verhalten des Materials in Mikrogravitation zu untersuchen, sowie die positiven Effekte der Mikrogravitation auszunutzen, um einen 3D DNA-Origami-Kristall zu züchten. Diese Kristalle könnten es ermöglichen, neue Wege im Bereich der Robotik, Computerwissenschaften, Materialwissenschaften, Medizin und Medikamentenentwicklung zu gehen.
Die Analyse von DNA-Origami Kristallen, die in der Mikrogravitation gezüchtet werden, hilft Forschern, die genauen Bedingungen, für die Herstellung der hochwertigsten und fehlerfreisten Kristalle besser zu verstehen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse unterstützen die kommerzielle Ausweitung der Produktion von DNA-Origami-Kristallen auf der Erde.
Mehr Informationen zu DNA Origami und die Möglichkeiten dieser Technik:
https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_casts_a_spell_with_dna
https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_details_dna_folding
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