Nanowaffe gegen Krebs: Roboter aus DNA

Es ist eine Zukunftsvision, die Forscher des Austrian Institute of Technology (AIT) in Wien angehen: In dem EU-Projekt Mara (Molecular Analytical Robotics Assays) sollen mikroskopisch kleine Roboter entwickelt werden, die vollständig aus DNA gebaut sind.

DNA, wie sie in unseren Zellen vorkommt, setzt sich aus Millionen Einzelbausteinen zusammen, die Nukleotide heißen. Jedes dieser „Lego-Stücke“ wird bereits in Massenproduktion hergestellt, man kann sie günstig erwerben und vielfältig kombinieren. Die AIT-Forscher rund um Ivan Barisic wollen nun drei DNA-Bausätze, die sie selbst entwickeln werden, ganz neu kombinieren. Das Ergebnis soll der hier abgebildete „Roboter“ sein. Eine Waffe im Kampf gegen Krebs und bakterielle Krankheitserreger. Besonders in Zeiten der zunehmenden Antibiotika-Resistenz sind neue Lösungen gefragt. Dieses aus DNA gebaute Molekül ist besonders hitzestabil. Es kann also auch in Entwicklungsländern eingesetzt werden, wo man sich nicht auf vollständige Kühlketten verlassen kann.

Nanoroboter aus DNA
Nanoroboter aus DNA
Nanoroboter aus DNA – Marin Goleminov

1) Wie kommt der Roboter zu seinem Ziel?

Wie ein Impfstoff oder Medikament werden diese DNA-Moleküle mit dem Blut durch den Körper gespült, sie erreichen so jede Zelle. Der Roboter, tausend Mal dünner als ein Haar, wird aber nur dort aktiv, wo er landen kann.

Die „Füße“ des Roboters sind wie feine Antennen, die im Labor hochspezifisch auf das Zielobjekt eingestellt werden. Dazu muss man auch die Andockstationen an der Oberfläche der Tumorzelle oder des Bakteriums gut kennen: Die Roboter-Füße sollen wie Lego-Stücke perfekt in die Andockstelle einrasten.

Erst wenn der Roboter mit der richtigen Zielzelle fest verbunden ist, schaltet sich der Motor ein und die Waffe kann ihre Wirkung tun.

2) Motor

Aus DNA-Bausteinen wollen die Forscher einen Motor nachbauen, der bei Mikroben wie Geißeltierchen oder Urbakterien zur Fortbewegung dient. Dabei drehen sich mehrere Proteine mit hoher Geschwindigkeit um sich selbst – vergleichbar mit einer Schiffsschraube oder einer Bohrmaschine.

Vorlage für den Motor des DNA-Roboters ist ein Archaellum, mit dem Urbakterien schwimmen können. Es besteht aus wenigen Proteinen und sollte im Labor relativ gut aus DNA nachzubauen sein.

3) Bohrkopf

Mit dem Motor ist ein Bohrkopf verbunden, der die dicke Zellmembran von Bakterien oder von Tumorzellen durchstechen und diese damit töten kann. Vorbild für den Bohrer sind Bakteriophagen, also Viren, die Bakterien angreifen. Unter dem Mikroskop sehen Bakteriophagen aus wie Mondlandekapseln, eine ähnliche Form soll
auch der fertige DNA-Roboter haben.

Der DNA-Motor und der spitze Bohrkopf werden nur dann aktiv, wenn der Roboter mit der korrekten Zelle, die getötet werden soll, fest verbunden ist. So wird verhindert, dass die Nanowaffe auch gesunde Zellen anbohrt oder Bakterien vertilgt, die gut für den Körper sind.

DNA Strang faltet sich zu Tetraeder
DNA Strang faltet sich zu Tetraeder
DNA Origami – Marin Goleminov

DNA-Origami

Stellen Sie sich vor, ein langer Wollfaden legt sich von selbst zusammen und verdreht sich, bis daraus ein Socken oder eine Haube wird. Ähnlich ist es bei DNA-Origami. Aus langen DNA-Fäden, die entweder von Viren isoliert oder im Labor hergestellt werden, entstehen konkrete dreidimensionale Formen. Wo und in welche Richtung sich der Faden zusammenlegt, wird von kurzen DNA-Stücken gesteuert, die wie Heftklammern den Faden zusammenhalten. Forscher der TU München bauten nun aus diesen sich selbst montierenden DNA-Bausteinen neue Nanomaschinen und einen "Greifer", mit dem man gezielt Moleküle bewegen kann.

DNA Stücke verhalten sich wie Legosteine
DNA Stücke verhalten sich wie Legosteine
DNA Legosteine – Marin Goleminov

DNA-Lego

Das Basteln mit DNA als Baustein für größere Strukturen wurde mit "DNA-Lego" noch verfeinert. Statt eines langen DNA-Fadens werden kurze DNA-Abschnitte hergestellt. Diese verbinden sich automatisch mit anderen DNA-Bausteinen – je nachdem, wie man es am Computer designt. Das ist, als würde man Lego-Steine in eine Box werfen, einmal schütteln – und schon bildet sich ein fertiges Lego-Haus oder -Auto. Aus den Nanobausteinen kann man kompakte Strukturen wie jene von Zelloberflächen gestalten. Das Baumaterial DNA verträgt sich gut mit unserer Körperchemie, daher hoffen Forscher auf den Einsatz bei medizinischen Untersuchungen oder Therapien.

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