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Erster elektrischer Nanomotor aus DNA-Material

Synthetische Rotationsmotoren auf der Nanoskala verrichten mechanische Arbeit

Einem Forschungsteam unter Leitung der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, einen molekularen Elektromotor mit der Methode des DNA-Origami herzustellen. Die winzige Maschine aus Erbgut-Material setzt sich selbst zusammen und wandelt elektrische Energie in Bewegungsenergie um. Die neuen Nanomotoren lassen sich ein- und ausschalten und die Forschenden können Rotationsgeschwindigkeit und -richtung kontrollieren.

Der neuartige molekulare Motor besteht aus DNA, also Erbgut-Material. Zum Zusammensetzen des Motors aus DNA-Molekülen verwendeten die Forscher die Methode des DNA-Origami, die 2006 von Paul Rothemund erfunden wurde und in der Folge auch an der TUM in den Arbeitsgruppen maßgeblich weiterentwickelt wurde. 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.

„Wir arbeiten bereits seit vielen Jahren mit dieser Fabrikationsmethode und können inzwischen sehr präzise und komplexe Objekte entwickeln, wie zum Beispiel molekulare Schalter oder Hohlkörper, die Viren einfangen können. Gibt man die DNA-Stränge mit den entsprechenden Sequenzen in Lösung, setzen sich die Objekte von selbst zusammen“, sagt Arbeitsgruppenleiter Professor Dietz.

Der neue Nanomotor aus DNA-Material besteht aus drei Komponenten: Sockel, Plattform und Rotorarm. 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. Entscheidend für das Funktionsprinzip des Motors ist ein weiteres Bauteil: eine Plattform, die zwischen Sockel und Rotorarm liegt. Diese 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.

Ohne Energiezufuhr bewegen sich die Rotorarme der Motoren getrieben durch zufällige Kollisionen mit Molekülen aus dem umgebenden Lösungsmittel ungesteuert in die eine oder andere Richtung. Sobald jedoch über zwei Elektroden Wechselspannung angelegt wird, drehen sich die Rotorarme gezielt und kontinuierlich in eine Richtung. Die komplette Beschreibung des Motors haben die Forscher auf nature.com publiziert.

Weitere Informationen finden Sie hier.

Bild: Anna-Katharina Pumm/TUM