Elektrisch steuerbarer Nanoschalter entwickelt Vom DNA-Origami zum Kippschalter für molekulare Maschinen

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Ein Klick – und Licht. Schalter kennen wir aus jedem Haushalt. Doch es geht auch mikroskopisch klein. Ein Forscherteam der TU München hat molekulare Schalter aus DNA-Molekülen gebaut, die über hunderttausende Zyklen stabil bleiben. Das System gilt als wichtiger Schritt hin zu molekularen Maschinen.

Die Entwicklung programmierbarer molekularer Maschinen rückt näher. Forschenden der Technischen Universität München (TUM) ist es nun gelungen, einen extrem zuverlässigen und stabilen DNA-Schalter zu entwickeln. Er kann elektrisch gesteuert und für die Kontrolle molekularer Funktionen genutzt werden. Der Nanoschalter blieb über mehrere Hunderttausend Schaltzyklen funktionsfähig.

Der Schalter besteht aus DNA-Origami, also aus DNA-Fäden, die sich gezielt zu winzigen Bauteilen falten lassen. Das Team entwickelte daraus einen DNA-Schalter mit zwei stabilen Stellungen. Ein kurzer elektrischer Impuls genügt, um die Struktur innerhalb von Millisekunden von einer Stellung in die andere zu bringen. Danach bleibt sie ohne weitere Energiezufuhr in ihrer neuen Position.

Das ist ein wichtiger Schritt für die Entwicklung molekularer Maschinen. Denn solche Systeme müssen sich nicht nur gezielt schalten lassen, sondern auch dauerhaft zuverlässig arbeiten. Genau das zeigt der neue Schalter: In den Messungen blieben einzelne Bauteile über Stunden stabil, erreichten mehr als 200.000 Schaltzyklen und zeigten in einem weiteren Versuchsaufbau auch nach rund einer Million Ansteuerungen noch robustes Schaltverhalten.

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Zwei mögliche Anwendungen erfolgreich getestet

„Mit unserem Design konnten wir zeigen, dass sich ein DNA-basierter Schalter nicht nur schnell und präzise ansteuern lässt, sondern auch ungewöhnlich ausdauernd ist“, sagt Prof. Friedrich Simmel, Professor für Physik synthetischer Biosysteme an der TUM School of Natural Sciences. „Damit wird es realistischer, DNA-basierte Bauteile künftig als funktionale Elemente molekularer Maschinen einzusetzen.“

Zwei Anwendungen hat das Forschungsteam bereits getestet. In einem Versuchsaufbau koppelte es den Schalter an Goldnanostäbchen. So ließ sich ein optisches Signal je nach Stellung des Schalters an- und abschalten. In einem zweiten Experiment nutzte das Team den Schalter, um eine Bindestelle für andere DNA-Stränge abwechselnd freizugeben oder abzudecken. Dadurch ließ sich die Geschwindigkeit dieses Bindungsprozesses steuern.

Proof of Concept unter Laborbedingungen erfolgreich

Die Arbeit zeigt damit nicht nur ein einzelnes neues Nanobauteil. Sie liefert auch eine Grundlage, um Ausdauer, Verschleiß und mögliche Fehler von molekularen Schaltern systematisch zu untersuchen. Erstautor Florian Rothfischer sagte: „In Zukunft könnten solche elektrisch steuerbaren DNA-Systeme unter anderem für molekulare Informationsverarbeitung, bei optischen Nanobauteilen und bei der gezielten Steuerung chemischer Reaktionen interessant werden.“

Die Experimente wurden unter kontrollierten Laborbedingungen und in speziellen Messaufbauten durchgeführt. Die Ergebnisse belegen, dass das Konzept unter diesen Bedingungen zuverlässig funktioniert. Bis zu möglichen technischen Anwendungen außerhalb solcher Laborumgebungen sind jedoch weitere Entwicklungsschritte nötig.

Originalpublikation: Rothscher et al.: A high-endurance DNA origami snap-through switch for functional nanoscale control, Science Robotics, Vol 11, Issue 115, 24. Juni 2026; DOI: 10.1126/scirobotics.aec7796

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