Elektrisch steuerbarer robuster DNA-Schalter entwickelt

Die Entwicklung programmierbarer molekularer Maschinen rückt näher, da Forschenden der Technischen Universität München (TUM) die Entwicklung eines extrem zuverlässigen und stabilen DNA-Schalters gelungen ist. Dieser lässt sich elektrisch steuern und für die Kontrolle molekularer Funktionen nutzen, wobei der Nanoschalter über mehrere Hunderttausend Schaltzyklen voll funktionsfähig blieb. Das Bauteil basiert auf der DNA-Origami-Technologie, bei der sich DNA-Fäden gezielt zu winzigen Komponenten falten lassen.

Daraus entwickelte das Team einen DNA-Schalter mit zwei stabilen Stellungen, der durch einen kurzen elektrischen Impuls innerhalb von Millisekunden die Position wechselt und danach ohne weitere Energiezufuhr in dieser verbleibt. Dies markiert einen wichtigen Schritt für die Entwicklung molekularer Maschinen, da solche Systeme neben einer gezielten Steuerung auch eine dauerhafte Zuverlässigkeit aufweisen müssen. Der neue Schalter erfüllt diese Anforderungen präzise, da einzelne Bauteile in den Messungen über Stunden stabil blieben, mehr als 200.000 Schaltzyklen erreichten und in einem weiteren Versuchsaufbau selbst nach rund einer Million Ansteuerungen ein robustes Schaltverhalten zeigten.

Zwei Mögliche Anwendungen schon erfolgreich getestet

„Mit unserem Design konnten wir zeigen, dass sich ein DNA-basierter Schalter nicht nur schnell und präzise ansteuern lässt, sondern auch ungewöhnlich ausdauernd ist“, sagt Prof. Friedrich Simmel. „Damit wird es realistischer, DNA-basierte Bauteile künftig als funktionale Elemente molekularer Maschinen einzusetzen.“

Das Forschungsteam validierte bereits zwei konkrete Anwendungsszenarien für dieses System. In einem ersten Versuchsaufbau koppelten die Wissenschaftler den Schalter an Goldnanostäbchen, wodurch ein optisches Signal in Abhängigkeit von der Schalterstellung moduliert und gezielt an- oder abgeschaltet werden konnte. Ein zweites Experiment nutzte den molekularen Schalter zur alternierenden Freigabe oder Abdeckung einer spezifischen Bindestelle für komplementäre DNA-Stränge, was eine präzise Steuerung der Kinetik dieses Bindungsprozesses ermöglichte. Die vorliegende Arbeit beschreibt somit nicht nur ein einzelnes, neuartiges Nanobauteil, sondern liefert eine grundlegende Plattform zur systematischen Analyse von Ausdauer, Verschleißcharakteristika und Fehlerraten molekularer Schaltsysteme. Florian Rothfischer sagte: „In Zukunft könnten solche elektrisch steuerbaren DNA-Systeme unter anderem für molekulare Informationsverarbeitung, bei optischen Nanobauteilen und bei der gezielten Steuerung chemischer Reaktionen interessant werden.“

Sämtliche Experimente erfolgten unter kontrollierten Laborbedingungen innerhalb spezialisierter Messaufbauten. Die generierten Daten belegen eine zuverlässige Funktionalität des Konzepts unter diesen definierten Parametern, wenngleich bis zu einer technischen Anwendung außerhalb der Laborumgebung noch weitere Entwicklungsschritte erforderlich sind.

Quelle

Technische Universität München (07/2026)