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Immobilisierung von DNA-Origamis zwischen Gold Elektroden

15.12.2016

Die Arbeitsgruppe Phaseneffekte bei der Strahlenwirkung (6.51) untersucht gegenwärtig den Einsatz von DNA als Detektormaterial für ionisierende Strahlung. Hierfür werden die DNA-Moleküle bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert und diese anschließend ionisierender Strahlung ausgesetzt. Die strahleninduzierten Schäden der DNA können über eine Widerstandsänderung registriert werden. Ziel ist es, über diese Widerstandsänderung eine quantitative Aussage zum Maß der Strahlenschäden treffen zu können. Ein großer Vorteil des Einsatzes von DNA als Detektormaterial ist, dass auf die Verwendung von Wichtungsfaktoren für die verschiedenen Strahlungsarten verzichtet werden kann. Der direkte Nachweis der Strahlenschäden an der DNA ermöglicht deren Quantifizierung auf für unbekannte Strahlenzusammensetzungen.

Für diese Untersuchungen müssen die DNA-Moleküle zunächst zwischen leitenden Nanostrukturen elektrisch kontaktiert werden. So können Proben hergestellt werden, mit denen eine Charakterisierung des Widerstandsverhaltens der DNA möglich ist. Diese Proben werden in Zusammenarbeit mit der TU Braunschweig, sowie den Abteilungen 2 und 5 der PTB hergestellt.

Die DNA-Moleküle werden dafür zu länglichen Strukturen gefaltet (sog. DNA-Origamis). Diese haben eine Länge von ungefähr 200 nm [1]. Die Enden der Strukturen werden mit Thiol-Gruppen versehen. Bei Kontakt mit einer Goldoberfläche kann sich das Schwefelatom des Thiols chemisch an das Gold binden [2].  Diese Technik wird auch häufig für die Herstellung von selbstorganisierenden Monolagen (engl. self-assembled monolayer) verwendet. Hier soll sie jedoch dazu genutzt werden, um einzelne DNA-Origamis zwischen zwei Elektroden zu immobilisieren. Als Elektroden dienen Gold-Nanostrukturen, welche auf einem Siliziumchip aufgedampft werden. Dies geschieht im hauseigenen Reinraumzentrum der Abteilung 2.

Um eine Origami zwischen den Elektroden zu kontaktieren, wird diese unter der Ausnutzung der Dielektrophorese dort „eingefangen“. Die Origamis liegen in wässriger Lösung vor. Für den Einfang wird ein Tropfen dieser Lösung zwischen den Elektroden aufgebracht und eine Spannung an die Elektroden angelegt. Das so erzeugte elektrische Feld kann ein Dipolmoment im DNA-Origami induzieren, sodass es in Wechselwirkung mit dem Feld tritt. Die resultierende Kraft bewegt das Molekül zu den Spitzen, wo die elektrische Feldstärke am höchsten ist. Dieser Prozess ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Durch die Thiol-Gold Bindungen bleiben die Moleküle letztendlich an den Elektroden haften.

Bild 1: Im oberen Bild (a) ist der Probenchip mit DNA-Lösung schematisch dargestellt. Bild b) illustriert das Prinzips der Dielektrophorese. Das induzierte Dipolmoment bewirkt, dass die DNA über elektromotorische Kräfte (EMF) mit dem Feld in Wechselwirkung tritt. Die resultierende Kraft (F) beschleunigt das Molekül zum Bereich hoher elektrischer Feldstärken.

Erste Brücken konnten bereits mit einer Frequenz von 15 MHz hergestellt werden. Bild 2 zeigt eine Rasterkraftmikroskopie-Aufnahme einer solchen Brücke aus DNA-Origamis. Nach aktuellem Stand muss noch an einer Optimierung der Prozessparameter geforscht werden. Zum einen ist die Ausbeute an erfolgreich kontaktieren DNA-Strukturen noch sehr gering. Zum anderen wird angestrebt, möglichst nur ein einzelnes Origami einzufangen.

Bild 2: Die Aufnahmen wurden mittels eines Rasterkraftmikroskopes (engl. atomic force microscope - AFM) aufgenommen. Unten ist die Längenskala der Tafelebene eingezeichnet. Die Farbskalierung (rechts) gilt für die Höhenverteilung. Links und rechts im Bild sieht man die beiden Goldelektroden als etwa dreieckige Strukturen. Dazwischen sind zwei Brücken zu erkennen. Diese bestehen jeweils aus ca. drei DNA-Origamis. Es handelt sich hier um ein 3D-Modell in Draufsicht, weswegen Schatten dargestellt sind.

Für die Zukunft sollen mit diesem Verfahren auch andere DNA-Origami-Strukturen kontaktiert werden. So kann zum Beispiel der Einfluss der Länge der DNA auf deren elektrisches Widerstandsverhalten untersucht werden.

Referenzen

  1. Jürgen J Schmied, Mario Raab, Carsten Forthmann, Enrico Pibiri, Bettina Wünsch, Thorben Dammeyer & Philip Tinnefeld, Nature Protocols 9, 1367–1391 (2014)
  2. Yurui Xue, Xun Li, Hongbin Li & Wenke Zhang, Nature Communications 5, 4348 (2014)