DNA-Nanosysteme

Die Arbeitsgruppe erforscht und entwickelt DNA-basierte Werkzeuge für die biomedizinische Forschung. Dabei werden DNA-Moleküle und deren Eigenschaften genutzt, um damit Biomaterialien nanometergenau anzuordnen und zu struk­turieren. Anwendung findet diese Technologie bei der Entwicklung von Biosensoren und Nanoschaltungen für Biochips. Darüber hinaus wird die Technologie verwendet, um neue Verfahren zum spezifischen Molekültransport in vivo und in vitro zu entwickeln.

Die Gruppe untersucht dafür die biochemischen und bio­physi­kalischen Eigenschaften spezi­fischer DNA-Moleküle sowie von Verbundmaterialien, um daraus konkrete Anwendungen abzuleiten.

Die Gruppe wird seit 2013 durch das Attract-Programm der Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

DNA-Selbstanordnung und »Molecular Programming«

DNA-Hybridisierung ist die momentan fortgeschrittenste Methode des programmierten Selbstaufbaus von nanometergroßen Objekten mit kontrollierter Morphologie und Oberflächeneigenschaften. Techniken, wie das DNA-Origami oder auch die DNA »Lego«-Methodik, nutzen die bekannte biophysikalische Eigenschaft der komplementären Basenpaarung zur Erschaffung verzweigter »Holliday junctions« zwischen drei oder mehreren DNA-Einzelsträngen, um komplexe zwei- oder dreidimensionale Formen zu erschaffen. DNA-Moleküle können somit als hochflexible, programmierbare Bausteine verwendet werden. Computerunterstützte Programme und neu entwickelte Automatisierungstechniken ermöglichen ein schnelles und präzises Design solcher Bausteine und die Herstellung von Objekten nahezu jeglicher Form im Nanometerbereich.

Rasterkraftmikroskopie

Die Rasterkraftmikroskopie (engl.: atomic force microscopy AFM) ist ein Verfahren zur Untersuchung von Materialien auf molekularer Ebene, welches präzise strukturelle und funktionelle Informationen liefert. Durch Scannen des Materials mit einer nur wenige Atome breiten Messspitze (tip) können nanometergroße Merkmale aufgelöst werden. Des Weiteren erlaubt die AFM-basierte Spektroskopie die Messung sehr kleiner Kräfte bis in den Picometerbereich sowie lokaler elastischer Eigenschaften biologischer Materialien wie Gele, Zellen, etc.

Transmissionselektronenmikroskopie

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine Mikroskopiertechnik, die mit Hilfe eines Elektronenstrahls Objekte bis hin zu einigen Nanometern auflösen kann. Da hierbei kein Licht verwendet wird, können im Gegensatz zu herkömmlichen Fluoreszenz- oder Lichtmikroskopen auch Objekte unterhalb der Auflösungsgrenze (unter ~ 1 µm) dargestellt werden. Die Wellenlänge beschleunigter Elektronen ist sehr viel kleiner als die von Licht und somit reduziert sich die Auflösungsgrenze um mehrere Größenordnungen.

Funktionalisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen

Einzelwändige Kohlenstoff-Nanoröhren (engl.: single-walled carbon nanotubes SWNT) zeichnen sich durch eine Reihe herausragender Eigenschaften aus, die sie zu einem vielversprechenden Material für Transistoren, Sensoren, Wirkstofftransport, Energiespeicher, antimikrobielle Substanzen und viele weitere Anwendungen machen. Die Anwendung von SWNTs ist jedoch abhängig von der Fähigkeit mit anderen Materialien zuverlässig zu interagieren. Die Arbeitsgruppe verwendet Materialien wie DNA, kleine Polypeptide, Proteine, Detergentien, etc., um Nanoröhren in verschiedene Anwendungen zu integrieren.

  • DNA-basierte Anordnung funktionalisierter Kohlenstoff-Nanoröhren für Biosensorik und Nanoschaltungen
  • Entwicklung molekularer Träger und immunologischer Systeme von DNA und Hybridmaterialien
  • Energieumwandlung und Ordnungsphänomene in DNA-basierten und zusammengesetzten Nanomaterialien
  • Mechanische Charakterisierung von DNA-basierten und zusammengesetzten Nanomaterialien

  • Universität zu Köln, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Department für Chemie, Institut für Biochemie
  • pluriSelect GmbH
  • Universität Leipzig, Veterinärmedizinische Fakultät, Veterinär-Anatomisches Institut
  • Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Zentrum für Mikrotechnologien
  • Ludwig-Maximilians-Universität München, Fakultät für Physik, Lehrstuhl für Experimentalphysik: Physik weicher Materie und Biophysik
  • Yale University, Yale School of Medicine, Department of Molecular Biophysics and Biochemistry
  • Technische Universität Dresden, Biotechnologisches Zentrum (BIOTEC)

  • Nickels PC, Ke Y, Jungmann R, Smith DM, Leichsenring M, Shih WM, Liedl T, Högberg B. DNA origami structures directly assembled from intact bacteriophages. Small. 2014 May 14;10(9):1765-9. DOI dx.doi.org/10.1002/smll.201303442.
  • Smith DM, Schüller V, Engst C, Rädler J, Liedl T. Nucleic acid nanostructures for biomedical applications. Nanomedicine, 2013. 8(1): p. 105-121.
  • Smith DM, Schüller V, Forthmann C, Schreiber R, Tinnefeld P, Liedl T. A structurally variable hinged tetrahedron framework from DNA origami. J. Nuc. Acid., 2011. DOI dx.doi.org/10.4061/2011/360954.