DNA schlüpft in eine Kohlenstoff-Nanoröhre
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Simulation zur spontanen Einkapselung eines DNA-Abschnitts in eine Kohlenstoff-Nanoröhre

Auf der Suche nach möglichen Einsatzgebieten für Materialien aus dem Nanobereich befassen sich Materialforscher vom Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung mit dem funktionellen Zusammenwirken von Nanostrukturen und biologischen Molekülen. Ihr Ziel: Die Entwicklung einer neuen Generation integrierter Systeme, die mechanische Antworten auf elektrische, optische, magnetische und chemische Stimuli geben. Ein Beispiel für diese Studien ist die Einkapselung von DNA-Molekülen in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. In der vorliegenden Simulation befinden sich das einzelsträngige DNA-Oligonukleotid und die Nanoröhre mit einer Länge von 2,95 nm und einem Durchmesser von 1,36 nm (milliardstel Meter) in einer wässrigen Lösung bei einer Temperatur von 400 Kelvin und einem Druck von 3 bar. Wassermoleküle sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Die Einkapselung erfolgt spontan. Bereits nach 30 Pico-Sekunden (10^-12 Sekunden) schlüpft die erste Base des Oligonukleotids in das Nanoröhrchen, nach 500 Pico-Sekunden befinden sich fünf von acht Basen vollständig innerhalb der Röhre. Dabei spielen die so genannten van der Waals- und hydrophobe, also wasserabweisende, Kräfte eine maßgebliche Rolle. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass bereits eine geringfügige Reduktion der van der Waals-Kräfte den Prozess dramatisch verlangsamt. Darüber hinaus muss auch der Durchmesser der Nanoröhre eine bestimmte kritische Größe haben – bei kleinerem Durchmesser gelangt in der Simulation nicht mehr als eine einzige Base ins Innere der Röhre. Mögliche Anwendungen dieses Prozesses sehen die Materialforscher bei Molekülsensoren, der elektronischen Gen-Sequenzierung, in Gen-Speicherungs- und Implementationssystemen sowie in DNA-modulierter Molekular-Elektronik.