Eine Amöbe hat kein Kugellager

"Wir können heute zwar bewegliche Maschinenbauteile aus klassischen Materialien herstellen", sagt Jürgen Stampfl, Professor an der Universität Wien. Stampfl arbeitet daran, 3D-Drucker zu entwickeln, die mit sogenannter Nanolithographie kleinste Strukturen aus solchen Materialien schälen können. "Die kleinsten beweglichen Bauteile, die wir heute herstellen können, sind aber immer noch mehrere Mikrometer groß." Viel zu groß also, um sie zu einem Nanobot zusammenzubauen, der noch durch eine Kapillare passen soll.

Das Problem sei, sagt Stampfl, dass die Oberfläche im Vergleich zum Volumen immer größer wird, je kleiner das Bauteil ist. Das führt dazu, dass die Interaktionen mit der Umgebung eine Maschine schon auf solchen Größenskalen praktisch nutzlos oder unmöglich machen. "Eine kleine Zelle, wie eine Amöbe, hat halt kein Kugellager", sagt Stampfl.

Deshalb strafen die Nanoroboter aus Shawn Douglas' Labor die albernen Darstellungen in unseren Onlinemagazinen Lügen. Denn seine Nanobots sind nur so groß wie das beschriebene Bit auf einer Festplatte, ungefähr 35 x 35 Nanometer. Sie sind hexagonale Röhren, die eine molekulare Nachricht in ihrem Inneren verbergen und diese nur bei Kontakt mit dem richtigen Zelltyp preisgeben. Und sie bestehen nicht aus winzigen Motoren, Batterie oder Greifarmen, sondern dem Speichermedium allen Lebens: DNA.

Roboter aus Origami

"Seit ein paar Jahren kann man mit speziellen Computerprogrammen DNA-Ketten so aufbauen, dass sie sich danach ganz von allein zu etlichen verschiedenen Formen zusammenfalten", sagt Douglas. "Ich habe damit bisher bestimmt über 100 verschiedene Strukturen erzeugt." Der Erfinder dieser Faltkunst, Paul Rothemund vom California Institute of Technology, hatte seiner Methode nach der Entdeckung im Jahr 2006 den passenden Namen DNA-Origami gegeben.

Die DNA-Doppelhelix hat einen Durchmesser von gerade mal zweieinhalb Nanometern. Die Basenpaare im Innern der Helix, der genetische Code also, bestimmt nicht nur, welche Proteine in einer lebenden Zelle hergestellt werden, sondern auch, wie sich der DNA-Strang verbiegt und faltet. Und durch gezieltes Programmieren der DNA können Nano-Informatiker wie Douglas heute mit DNA-Origami Nanobots verschiedenster Formen bauen. Im Jahr 2012, damals noch im Labor des Molekularbiologen George Church in Harvard, veröffentlichte Douglas mit seinem Kollegen Ido Bachelet einen Artikel im Journal Science, in dem die Forscher zeigten, dass man eine Box aus DNA-Origami als Nanobot einsetzen kann.

Die (weniger als durchschnittliche) US-Elektropunk-Band namens Apraxia (sechs Follower auf Spotify) sang zwar schon im Jahr 2009 visionär von "DNA Nanobots". Doch tatsächlich war die Box von Douglas und Co. aus dem Jahr 2012 der erste funktionstüchtige DNA-Nanobot. Denn in seinem Inneren trägt er eine molekulare Fracht aus Signalmolekülen, die Körperzellen oder Erreger zur Verhaltensänderung bewegen können. Sie sind gewissermaßen die Werkzeuge des Roboters.

Zum Bot aber wird die Box erst dadurch, dass sie von zwei Klemmen aus DNA-Schnipseln zusammengehalten wird. Diese Klemmen, Aptamere genannt, fungieren zugleich als Schlösser, die sich nur dann öffnen, wenn die beiden Schlösser auf die richtigen beiden Schlüssel treffen. Als Schlüssel funktionieren für diese beiden Schlösser ganz bestimmte Proteine auf der Oberfläche von Zellen. Nur also, wenn der Nanobot auf einen bestimmten Zelltyp trifft, der Schlüsselproteine für beide Schlösser auf dem Nanobot trägt, öffnet dieser sich und präsentiert der Zelle seine Werkzeuge.