Ihm und seinen Kollegen ist es nun durch ein speziell entwickeltes Messsystem gelungen, die extrem feinen Kontakt-Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Molekülen in der DNA-Doppelhelix zu messen. Es basiert auf Spitzen, an denen sich Doppelhelix-Strukturen befinden, die mit einem Systm aus optischen Laserpinzetten verknüpft sind. Letztlich ist es damit möglich, die Stapelkräfte zu messen, die zwischen den Basenpaar-Strukturen in der DNA wirken.
Feine aber fundamentale Kräfte
Wie die Forscher berichten, liegen die gemessenen Kräfte im Bereich von Piconewton. “Ein Newton ist die Gewichtskraft einer Tafel Schokolade”, erklärt Dietz. “Wir reden von einem 1000-Millardstel Anteil davon, das ist wirklich wenig.” Kräfte im Bereich von nur zwei Piconewton reichen den Ergebnissen zufolge bereits aus, um durch Stapelwechselwirkungen erzeugte Bindungen zu trennen. Die Wissenschaftler haben außerdem festgestellt, dass die Bindungen immer wieder innerhalb weniger Millisekunden zerfallen und sich dann wieder neu bilden. Wie lange sie halten und wie stark die Bindungen sind, hängt dabei maßgeblich davon ab, welche Basenpaare aufeinander gestapelt sind.
Den Forschern zufolge können die Ergebnisse nun dabei helfen, mechanische Aspekte von biologischen Prozessen, wie etwa bei der Vervielfältigung des Erbguts, besser zu verstehen. Die geringe Lebensdauer der Stapelwechselwirkung könnte dabei beispielsweise eine wichtige Rolle spielen: Ein Enzym, das bei der DNA-Replikation die Basenpaare lösen soll, muss demnach möglicherweise nur darauf warten, dass sich die Stapelbindungen von alleine lockern, anstatt sie aktiv zu trennen.
DNA als Baumaterial für DNA-Maschinen
Die Ergebnisse sollen Dietz und seinen Kollegen nun allerdings auch bei ihrer Konstruktions-Arbeit helfen: Sie nutzen DNA als programmierbares Baumaterial, um molekulare Maschinen zu entwickeln. “Wenn wir ein besseres Verständnis der molekularen Wechselwirkungen haben, können wir natürlich besser mit den Molekülen bauen”, sagt Dietz. Momentan arbeiten die Forscher an einem molekularen Rotations-Motor aus DNA, dessen Komponenten über Stapelbindungen ineinandergreifen und zusammengehalten werden. Das Ziel der Forscher ist, ihren DNA-Konstruktionen durch chemische oder thermische Impulse eine gerichtete Rotation zu verpassen.
