Normalerweise kommen in der Biologie oft Werkzeuge und Techniken aus der Physik zum Einsatz, aber in diesem Fall ist es mal genau anders herum.

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Werkzeuge aus der Biologie in der Physik verwenden Elektronische Bauteile entwickeln auf Basis von DNA

09.08.2022

Wissenschaftler der University of Virginia und ihre Mitarbeiter haben mit Hilfe von DNA ein fast unmögliches Hindernis überwunden, um Materialien zu entwickeln, die die Elektronik entscheidend weiterentwickeln könnten.

Ein mögliches Ergebnis solcher neu entwickelten Materialien könnten Supraleiter sein, die keinen elektrischen Widerstand aufweisen, sodass Elektronen ungehindert fließen können. Das bedeutet, dass sie keine Energie verlieren und keine Hitze erzeugen, im Gegensatz zu den derzeitigen Mitteln der elektrischen Übertragung. Die Entwicklung eines Supraleiters, der in großem Umfang bei Raumtemperatur - und nicht, wie derzeit möglich, bei extrem hohen oder niedrigen Temperaturen – eingesetzt werden könnte, könnte unter anderem zu hyperschnellen Computern führen, die Größe elektronischer Geräte verringern, Hochgeschwindigkeitszüge auf Magneten schweben lassen und den Energieverbrauch senken.

Ein solcher Supraleiter wurde erstmals vor mehr als 50 Jahren von dem Stanford-Physiker William A. Little vorgeschlagen. Wissenschaftler haben jahrzehntelang versucht, ihn zum Laufen zu bringen, aber selbst nachdem sie die Machbarkeit seiner Idee bestätigt hatten, standen sie vor einer Herausforderung, die unmöglich zu bewältigen schien. Bis jetzt…

Dr. Edward H. Egelman von der Abteilung für Biochemie und Molekulargenetik der UVA ist führend auf dem Gebiet der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM). Er und Leticia Beltran, eine Studentin in seinem Labor, nutzten die Kryo-EM-Bildgebung für dieses scheinbar unmögliche Projekt. „Es zeigt, dass die Kryo-EM-Technik ein großes Potenzial für die Materialforschung hat", sagt Egelman.

Technik auf atomarer Ebene

Ein möglicher Weg zur Verwirklichung von Littles Idee eines Supraleiters besteht in der Modifizierung von Gittern aus Kohlenstoff-Nanoröhren, hohlen Zylindern aus Kohlenstoff, die so winzig sind, dass sie in Nanometern gemessen werden müssen - Milliardstel eines Meters. Doch es gab eine große Herausforderung: die Steuerung chemischer Reaktionen entlang der Nanoröhren, damit das Gitter so präzise wie nötig zusammengesetzt werden und wie vorgesehen funktionieren konnte.

Egelman und seine Mitarbeiter fanden eine Antwort in den Bausteinen des Lebens selbst. Sie nahmen die DNA, das genetische Material, das den lebenden Zellen sagt, wie sie funktionieren sollen, und nutzten es, um eine chemische Reaktion zu steuern, die das große Hindernis für den Supraleiter von Little überwinden würde. Kurz gesagt, sie nutzten die Chemie, um eine erstaunlich präzise Strukturierung vorzunehmen – eine Konstruktion auf der Ebene einzelner Moleküle. Das Ergebnis war ein Gitter aus Kohlenstoffnanoröhren, das so zusammengesetzt war, wie es für den von Little entwickelten Supraleiter bei Raumtemperatur benötigt wurde.

„Diese Arbeit zeigt, dass eine geordnete Modifikation von Kohlenstoff-Nanoröhren möglich ist, indem man die DNA-Sequenzkontrolle über die Abstände zwischen benachbarten Reaktionsstellen nutzt“, sagt Egelman.

Das von ihnen gebaute Gitter wurde noch nicht auf Supraleitfähigkeit getestet, aber es bietet einen Beweis für das Prinzip und hat großes Potenzial für die Zukunft, so die Forscher. „Während sich die Kryo-EM in der Biologie als wichtigste Technik zur Bestimmung der atomaren Strukturen von Proteinanordnungen herauskristallisiert hat, hat sie in der Materialwissenschaft bisher weit weniger Einfluss gehabt“, sagt Egelman, dessen frühere Arbeiten zu seiner Aufnahme in die National Academy of Sciences führten, eine der höchsten Auszeichnungen, die ein Wissenschaftler erhalten kann.

Egelman und seine Kollegen sind der Ansicht, dass ihr DNA-gesteuerter Ansatz zur Gitterkonstruktion eine Vielzahl nützlicher Forschungsanwendungen, insbesondere in der Physik, bieten könnte. Er bestätigt aber auch die Möglichkeit, den Raumtemperatursupraleiter von Little zu bauen. Die Arbeit der Wissenschaftler könnte in Verbindung mit anderen Durchbrüchen bei Supraleitern in den letzten Jahren letztlich die Technologie, wie wir sie kennen, verändern und zu einer viel „Star Trek“-ähnlicheren Zukunft führen.

„Während wir oft denken, dass die Biologie Werkzeuge und Techniken aus der Physik verwendet, zeigt unsere Arbeit, dass die Ansätze, die in der Biologie entwickelt werden, tatsächlich auf Probleme in der Physik und im Ingenieurwesen angewendet werden können“, sagte Egelman. „Das ist das Spannende an der Wissenschaft: Wir können nicht vorhersagen, wohin unsere Arbeit führen wird.“

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