Zuverlässiger elektrischer DNA-Schalter entwickelt

Der Nanoschalter basiert auf dem Prinzip der DNA-Origami, bei dem sich DNA-Stränge gezielt zu nanoskaligen Strukturen falten lassen. Auf dieser Grundlage entstand ein Schalter mit zwei stabilen Zuständen. Ein kurzer elektrischer Impuls genügt, um die Struktur innerhalb von Millisekunden zwischen diesen Zuständen umzuschalten. In der jeweils erreichten Position bleibt sie anschließend stabil, ohne dass weitere Energie zugeführt werden muss.

Nach Angaben der Forscher erfüllt das System zentrale Anforderungen für künftige molekulare Maschinen: schnelle und präzise Steuerbarkeit bei gleichzeitig hoher Langzeitstabilität. Einzelne Bauteile blieben in Experimenten über mehrere Stunden funktionsfähig und zeigten auch bei hoher Schaltzahl nur geringe Abnutzung.

„Mit unserem Design konnten wir zeigen, dass sich ein DNA-basierter Schalter nicht nur schnell und präzise ansteuern lässt, sondern auch ungewöhnlich ausdauernd ist“, sagte Friedrich Simmel, Professor für Physik synthetischer Biosysteme an der TUM School of Natural Sciences. Damit werde es realistischer, DNA-basierte Strukturen künftig als funktionale Bausteine in molekularen Maschinen einzusetzen.

Zwei Anwendungen wurden bereits erprobt: In einem Versuch koppelten die Forscher den Schalter an Goldnanostäbchen, wodurch sich ein optisches Signal abhängig vom Schaltzustand ein- und ausschalten ließ. In einem weiteren Experiment steuerte der Schalter die Zugänglichkeit einer DNA-Bindestelle und damit die Geschwindigkeit einer Bindungsreaktion.

Erstautor Florian Rothfischer erklärte, solche Systeme könnten perspektivisch für molekulare Informationsverarbeitung, optische Nanobauteile und die gezielte Steuerung chemischer Reaktionen relevant werden.

Die Experimente wurden unter kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt. Nach Angaben des Teams funktioniert das System dort zuverlässig. Für Anwendungen außerhalb des Labors seien jedoch weitere Entwicklungsschritte erforderlich.

Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in Science Robotics.