Strukturen im Nanomaßstab : Origami mit DNA

3D-Origami: Mit Hilfe von Viren bauen Forscher wie Hendrik Dietz Moleküle aus DNA zusammen.
3D-Origami: Mit Hilfe von Viren bauen Forscher wie Hendrik Dietz Moleküle aus DNA zusammen.

Genträger als Baumaterial für Nanostrukturen: Mit dieser Idee will Leibniz-Preisträger Hendrik Dietz die Biophysik revolutionieren.

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18. Juli 2015, 16:00 Uhr

Ganz im Norden des Garchinger Forschungsgeländes, hinter dem inzwischen schon sanierungsbedürftigen, 50 Jahre alten Physik-Department der TU München (TUM), steht ein modernes Gebäude, das Zentrum für Nanotechnologie und Nanomaterialien des Walter-Schottky-Instituts.

Hier hat die Elite der jungen Münchner Nano- und Biophysik-Szene eine Heimat gefunden: Forscher, die die Grenzen verwischen zwischen den klassischen Fächern der Naturwissenschaften, denn sie rücken der Biologie mit chemischen, physikalischen und Ingenieurmethoden zu Leibe und umgekehrt. Es ist fast eine Ironie des Schicksals, dass gerade der leuchtendste Stern in diesem Fach dort bisher nur provisorisch untergekommen ist, weil woanders Platz fehlt. Sein Name ist Hendrik Dietz, und er hält seit einigen Jahren die Fachwelt in Atem mit seinen Ideen und Arbeiten.

Begeistert schildert der 37-jährige Physiker, was ihn umtreibt: „Enzyme, Zellen und letztlich ganze Organismen bilden sich durch Selbstorganisation. Wie können wir die dabei von der Natur verwendeten, sehr erfolgreichen Fabrikationsprinzipien für technologische Zwecke ausnutzen?” Dietz konzentriert sich darauf, aus DNA, Desoxyribonukleinsäure, dem Material, aus dem unsere Gene bestehen, „Dinge zu bauen, die noch nie jemand gebaut hat“. Die DNA- Moleküle sind kettenförmig, regelmäßig und stabil und vor allem sehr gut erforscht. Seit James Watson und Francis Crick 1953 ihre Struktur als Doppelhelix aufgeklärt haben, experimentieren Heerscharen von Biologen damit.

Als Hendrik Dietz erfuhr, dass der Biologe William Shih an der Harvard Medical School dreidimensionale Objekte aus DNA fertigen wollte, schloss er sich 2007 spontan dessen Forschungsgruppe an. Es gelang den Wissenschaftlern in den nun folgenden zwei Jahren der Coup. Sie „tuckerten“ einsträngige, von Viren hergestellte DNA, die sie „Rückgrat“ nannten, mit winzigen, künstlich produzierten DNA-Schnipseln, den so genannten „Klammermolekülen“, so zusammen, wie sie es vorher programmiert hatten. Wie ein Puzzle, das sich selbst zusammensetzt, entstehen durch Selbstorganisation im Reagenzglas die Nano-Objekte – winzige Zahnräder beispielsweise, und zwar viele Millionen gleichzeitig. Nur unter dem Elektronenmikroskop kann man ihre Form erkennen und kontrollieren, ob alles geklappt hat.

Die Fachwelt war elektrisiert von dem Verfahren, das Dietz selbst leicht ironisch „Basteln und Stricken auf der Nanoskala“ nannte, oder auch „3D-DNA-Origami“. Es gelang ihm und seinen Harvard-Kollegen, aus DNA in großer Zahl allerlei Nanofiguren herzustellen: kleine Ziegelsteine, Bälle, Zahnräder, gerade und verbogene Bänder und andere, zum Teil recht komplizierte Gebilde. Was zunächst wie eine mehr oder weniger nutzlose Spielerei aussah, diente der Entwicklung des Verfahrens. Nun, seit dieses automatisiert zur Verfügung steht, ist es ein mächtiges Werkzeug, mit dem man Strukturen im Nanomaßstab herstellen kann, die für bestimmte praktische Zwecke hilfreich sind.

2009 entschloss sich Dietz, wieder zurück nach Deutschland zu gehen. Am Physik-Department der TUM erhielt er als damals jüngster Professor eine Stelle, und nun begann der Ernst des Lebens. „Es war eine harte Zeit“, sagt er in der Rückschau, „ich musste nicht nur ganz schnell Doktoranden finden, Geld beschaffen und eine Infrastruktur aufbauen, sondern gleichzeitig auch noch Vorlesungen halten. Und da ich ein gewisses Sendungsbewusstsein habe, legte ich Wert darauf, diese ganz neu als etwas Eigenes zu entwerfen.“ Beim Aufbau seines Teams half es ihm, dass er im Rahmen der zwei Exzellenzcluster „Integrated Protein Science“ und „Nanosystems Initiative Munich“ Mittel erhielt, ferner im Jahr 2010 einen Starting Grant des European Research Council (ERC) von 1,5 Millionen Euro, dazu wurde er für seine Arbeiten bereits mehrfach mit Preisen und Stipendien ausgezeichnet.

Heute ist er nur noch selten im Labor, sondern muss seine Zeit aufteilen zwischen Lehre, Management, Gutachtertätigkeit und der Beratung und Betreuung seiner Mitarbeiter. „Das tue ich am liebsten“, sagt er leicht ironisch, „ins Labor gehen und die Leute von der Arbeit abhalten. Wir diskutieren dann, wie man Probleme lösen und neue Ideen umsetzen könnte.“ In den letzten Jahren haben Dietz und sein Team tatsächlich weiterhin Aufsehen erregende Erfolge erzielt: Es gelang ihnen, ihr Verfahren weiter zu optimieren, und nun funktioniert es zuverlässig, sauber, fehlerfrei und schnell.

„Das Objekt, das wir bisher am genauesten untersucht haben, besteht aus 16  000 DNA-Basen beziehungsweise 460  000 Atomen, die mit Sub-Nanometergenauigkeit an gewünschten Positionen im Raum lokalisiert sind“, sagt der Forscher. „Womöglich können wir in Zukunft sogar Strukturen mit noch höherer, atomarer Genauigkeit entwerfen. Dann könnten wir an die Konstruktion von künstlichen Enzymen denken.“ Gleichzeitig fanden die Forscher wertvolle grundlegende Einsichten in die Entstehung der DNA-Nanostrukturen, etwa in die Art, wie sie sich auf engstem Raum falten.

Dass er in dem, was er tut, so erfolgreich ist, führt Hendrik Dietz selbst darauf zurück, dass er eine gute Intuition für die Dinge hat: „Diese Mischung aus praktischem Bauen und Grundlagenforschung liegt mir einfach. Und ich versuche, immer offen zu bleiben für Neues.“ Gleichzeitig gelingt es ihm, seine Mitarbeiter so zu motivieren, dass sie auch mal Nächte durcharbeiten und Enttäuschungen verkraften. Dennoch gehört der schwarz gelockte Forscher mit den hellblauen Augen eher zu den Stillen, Bescheidenen, die nicht ständig auf der Welt umherreisen, um auf Konferenzen ihre neuesten Heldentaten zu verkünden. Sein Ruhm verbreitet sich auch so, nicht zuletzt durch seine zahlreichen Veröffentlichungen in den angesehensten Fachmagazinen.

„Für mich ist dieser junge Wissenschaftler eine große Freude“, betont Professor Wolfgang A. Herrmann, der Präsident der TUM. „Wenn ich seine leuchtenden Augen sehe, wenn ich höre, wie er seine Vision erklärt, weiß ich: Solche Leute brauchen wir!“ Deshalb ließ er ihn auch nicht gehen, als Dietz 2014 einen Ruf an die TU Delft bekam, sondern setzte sich dafür ein, dass er der TUM nun als Ordinarius erhalten blieb. „Er ist in der Lage, ein exzellentes Team zu führen, er diskutiert nie klein-klein, sondern kümmert sich immer um die große Linie.“ Auch die Raumsituation soll bald verbessert werden, versichert der Präsident.

Neben praktischen Anwendungen seiner Nano-Objekte etwa für die Mikroskopie oder die Grundlagenforschung verfolgt Dietz weiterhin das Ziel, Werkzeuge zu bauen, die bestimmte Aufgaben in Zellen und Organismen erledigen können – zum Beispiel künstliche Poren in der Zellhülle zu öffnen und zu schließen – oder pharmazeutische Stoffe herzustellen, indem sie auf atomarer Ebene die Reaktionsbestandteile in die richtige Form pressen und so zur Reaktion zwingen. So will er versuchen, es der Natur gleichzutun oder vielleicht sogar ein wenig besser zu sein. Diese Idee ist so verwegen, dass manche der etablierten Forscher aus anderen Feldern ihr noch immer nicht richtig vertrauen. Auch ist das junge Gebiet selbst nicht frei von Konflikten. Deshalb verwundert es nicht, dass – wie kürzlich geschehen – Gutachter bei Nature eine Veröffentlichung von Dietz ablehnten, in der es um ein der Natur abgeschautes Schlüssel-Schlossprinzip der molekularen Erkennung von Nanostrukturen geht. Gutachter bei der ebenso renommierten Zeitschrift Science griffen jedoch begeistert zu – der Artikel erscheint in den nächsten Wochen.

Nun erhält Dietz den Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG, dotiert mit 2,5 Millionen Euro. „Hendrik Dietz gehört zu den weltweit führenden Wissenschaftlern in der DNA-Nanotechnologie, die aktuell eines der dynamischsten Gebiete in der biomolekularen Grundlagenforschung ist“, begründet die DFG ihre Wahl.

Wenn er am 3. März mit seiner Frau und seinem dann fast auf den Tag genau zwei Jahre alten Sohn nach Berlin zur Preisverleihung kommt, dürfte es ihm eine Genugtuung sein, dass seine Arbeit so viel Anerkennung findet, auch wenn er niemals daran geglaubt hat, dass er gekürt würde. Was er mit dem Preisgeld machen will, weiß er schon. „Ich werde ein neues Elektronenmikroskop anschaffen und die tägliche Arbeit finanzieren.“

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