Gefaltete DNA — Photonische Kristalle und die Energie von morgen

00:00:01: Exzellent erklärt.

00:00:03: Spitzenforschung für alle!

00:00:07: Sie können mit Hilfe von DNA als Material, als Baustein komplexe Materialien bauen, komplexen Funktionen bauen wie man das mit keinem anderen Material kann.

00:00:17: Wir haben Kristalle hergestellt die dann sowohl als fotonische Kristalle agieren können aber eben auch für katalytische Prozesse.

00:00:25: Als ich ein Kind war, gab es das ZDF-Ferienprogramm – eine wunderbare Alternative für alle die nicht in den Urlaub fuhren.

00:00:33: Eine nette Frau zeigte uns damals wie man aus quadratischem Papier kranische Affen oder kleine Kistchen falten konnte ganz ohne Schere oder Kleber.

00:00:42: Origami war das!

00:00:44: Die japanische Faltkunst.

00:00:45: und genau darum geht's heute.

00:00:48: Na ja, nicht genau darum denn im Münchner Exzellenzcluster eConversion wird nicht mit Papier gefaltet sondern mit DNA.

00:00:56: Was das mit Energie zu tun hat schauen wir uns unbedingt genauer an.

00:01:00: Dazu tauchen wir ein in den Nanokosmos also in die Welt in der alles winzig klein ist und schauen uns Materialien an die Licht exakt lenken und Energiepakete im ganz kleinen steuern können was das bringt.

00:01:14: Das kann sowohl für bessere Solarzellen, schnellere Computer aber auch für die Medizindiagnostik von Nutzen sein.

00:01:21: Zwei DNA-Bastler haben sich die Zeit genommen um mit mir über ihre Forschung zu sprechen.

00:01:28: Mein Name ist Philipp Tinefeldt und ich bin Professor für Physikalische Chemie an der Ludwig Maximilianse Universität München.

00:01:34: Hallo mein Name ist Tim Niedl.

00:01:36: Ich bin Professor hier an der LMU für experimentelle Physik Mit einem Fokus auf Nanowissenschaften und optische Anwendungen von Nanomaterialien.

00:01:48: Bei DNA denke ich an Doppelhelix, an Erbinformationen – an den Biounterricht.

00:01:54: Nicht an ein Baumaterial für die Energieforschung!

00:01:57: Denn da ist nicht nur für die Biologien ein besonderes Molekül, sondern letztendlich ist es auch ein besonderes Material wenn man darüber nachdenkt.

00:02:04: Wenn wir zurückdenken in den neunzehntachtiger Jahre das war die Zeit wo so Techniken wie das Rastartunnel-Mikroskop und das Rasterkraftmikroskop erfunden wurden.

00:02:13: und da gab es dann diese Ideen der molekularen Nanotechnologie dass man nämlich sagt Wir können jetzt mit diesen Mikroskopen einzelne Atome bewegen und manipulieren.

00:02:26: Und es ist die Vision entstanden, dass man eines Tages durch das Bewegen von Atomen alles bauen könnte.

00:02:34: Man hat ein Automat für jede Atomsorte, nimmt sich einen Atom nach dem anderen und baut dann zusammen was man haben möchte – komplexe Systeme, Energiekonversionssystem bis hin zu Nano-Robotern.

00:02:48: Diese Vision ist offensichtlich nicht wirklich geworden!

00:02:51: Und das hat damals erst mal nicht geklappt.

00:02:53: Denn wenn man einzelne Atome kontrollieren will, dann braucht man Werkzeuge die das können und diese Werkzeugen müssen auch sehr klein sein.

00:03:02: Dann konnte man aus Chemiker – ich bin ja in einer chemischen Fakultät sagen okay, die Chemie kann das doch!

00:03:07: Die Chemie könnte ganz gezielt einzelne Bindungen machen Und das stimmt auch.

00:03:12: Die Chemie ist da unglaublich kraftvoll, dass sie jede Bindung kontrollieren kann und Moleküle dann hoch rein aufreinigen können.

00:03:20: Aber wenn man sich vorstellt, man will Nanomaterialien beim Bild ein bisschen zu Nano-Robotern Sachen bauen, brauchen wir viel höhere Komplexität.

00:03:28: Bei der Chemie muss man jedes Teilchen wieder aufreinnigen.

00:03:30: Jeder Schritt ist kompliziert.

00:03:32: Das heißt es ist schwierig mit dem reinen chemischen Ansatz das zu schaffen.

00:03:36: So jetzt kommen wir zur DNA.

00:03:38: Warum ist die so besonders?

00:03:40: Mal sehen, an was ihr euch aus dem Biologieunterricht noch erinnert.

00:03:51: Das heißt, man kann eine Reihenfolge dieser Buchstaben haben die man einstellen kann und man kann dann sagen was genau wird dagegen binden.

00:04:15: Und da diese Buchstabe-Reihenfolgen ganz schnell skaliert und unendlich viele Möglichkeiten nahezu liefert wie man Wechselwirkung bauen kann dadurch können wir jetzt gezielt Wechsel Wirkung in komplizierte Strukturen einbauen weil wir quasi einen unendlichen Baukasten haben.

00:04:34: Das lassen wir uns jetzt noch genauer erklären.

00:04:55: zu einem dritten Strang.

00:05:04: und der erste Strang, dessen Sequenz geht auch weiter aber die ist komplementär zu einem vierten Strang.

00:05:09: So kann man sich Wegkreuzungen vorstellen und das sind so komplex weitertragen wie man nur will durch diese gezielte Programmierung von Sequenzen, die sich gegenseitig erkennen.

00:05:21: also die erkennen sich in Lösung.

00:05:23: wir mischen diese DNA-Strenge zusammen viele Kopien dieser selben DNA-Strenger, also angenommen in meinem Beispiel.

00:05:31: Ich hatte jetzt vier Strenge erwähnt ja ich würde das von allen dieser vier Strengen jeweils sehr viele Kopienen eine Lösung kippen.

00:05:37: dann heizt man diese Lösung auf die strenge Wusel und Wild im Wasser hin und her und treffen sich und wenn sie Regionen treffen, die sie kennen bleiben Sie dort hängen.

00:05:47: An Regionen die sie nicht kennen bleiben sie nicht hängen und durch einen langsamen Abkühlprozess schaffen wir es dass sich am Ende alle die Regionen gefunden haben, die zueinander passen.

00:05:58: Die Struktur hat sich zusammengebaut und zwar nicht nur eine sondern so viele wie wir am Anfang Kopien von den Strengen hineingegeben haben in unsere

00:06:07: Faltungs-Suppe.".

00:06:08: Auf die Gefahr hin das ich jetzt wie Mr Spock von der Enterprise klinge ist doch wirklich faszinierend oder?

00:06:15: Also nochmal kurz zusammengefasst!

00:06:16: Wir haben diese Doppelhelix dröseln die nach einem speziellen Rezept auf damit es einzelne lange Stränge sind Und da können wir uns dann überlegen, welche Basen wir nacheinander haben wollen.

00:06:28: Zum Beispiel hat ein Strang dann siebentausend Basen hintereinander.

00:06:32: Das ist dann ein Gerüststrang unserer Basis.

00:06:36: Dann brauchen wir synthetische kurze Stränge die diesen Gerüststrang zusammenklammern.

00:06:43: Also dann könnte also die eine Hälfte eines dieser kurzen Stränge der kurze strange ist jetzt sagen wir mal vierzig Basen lang Und

00:07:11: viele dieser Strenge schütten wir dann zusammen, erwärmen das Ganze.

00:07:14: Die Faltungssuppe, wie Tim Liedl es genannt hat.

00:07:18: Und dann finden die richtigen Basen zueinander und dadurch faltet sich das Gebilde so, wie es die Forschenden vorher geplant haben.

00:07:25: Selbst Assemblierung oder English Self-Assembly nennt man das.

00:07:30: Da baut sich also von selber was

00:07:31: zusammen.".

00:07:31: Es ist wie Lego!

00:07:33: Man schüttet alle Lego Steine zusammen – und es muss sich selbst zusammenbassen.

00:07:37: Um das zu erreichen brauchen wir zwei Dinge.

00:07:39: Erst mal so viele unterschiedliche Wechselwirkungen, die durch die DNA-Sequenzen aber möglich sind.

00:07:44: Milliarden von Strukturen gleichzeitig bilden sich und wenn man sich jetzt vorstellt, man schmeißt zehn Lego Packung gleichzeitig auf dem Tisch, die alle das Gleiche sind Und zehn Leute fangen an irgendwo das Zielprojekt zu bauen Dann nehmen sie sich gegenseitig die Teilchen weg.

00:08:01: Man hat nachher zehn halbfertige Strukturen Die alle nicht zusammenpassen Weil die überall woanders angefangen haben zu bauen und die da nicht mehr passen, dann hat der eine zu viel eingebaut als der andere.

00:08:12: Und keins wird mehr komplett.

00:08:14: Das heißt was man nämlich auch noch braucht ist diese Hierarchie dass es in der richtigen Reihenfolge passiert Dass sie sich wirklich bilden.

00:08:22: Und das ist durch dieses Dean Origami mit dem einen langen Strang und den vielen kurzen Gelungen, dass nämlich der lange Strang entscheidet welche Bauteile baue ich ein?

00:08:31: und dann intern die sich zusammenfügen.

00:08:33: Das sind die beiden Ebenen, die dazu getroffen werden müssen.

00:08:36: und das ist das Besonderen der Dean origami Technik warum die so fantastisch funktioniert.

00:08:40: Ich glaube wir müssen uns jetzt noch vorstellen können wie winzig das alles ist.

00:08:45: Also eine Base vielleicht mal als Größenordnung ist so Nanometer groß.

00:08:49: Also Nanometer ist zehn hoch minus neun Meter, das heißt gehen wir mal runter ein Meter.

00:08:55: Ein hoch-minus drei Meter ist ein Millimeter also ein tausendstel Meter.

00:08:59: ist sein Millimeter dann noch einmal minus drei also zehn nach minus sechs das ist dann einen Millionstelmeter.

00:09:06: es wäre ein Tausendsten Millimeter das der Mikrometer und der nanometer ist dann nochmal ein taustensstel kleiner.

00:09:13: also ein nanometer is ein Milliardstel meter.

00:09:17: wenn sie sich berühren und eineinander sind, dann kommt es eben zur Wasserstoffbrückenbindung.

00:09:22: Die auf der längeren Skala unter einem Nanometer nochmal sind aber auf dieser Größenordnung.

00:09:26: Und das hält die dann zusammen.

00:09:28: Und zwei einzelne Basen in der Lösung würden auch nicht zusammen bleiben.

00:09:31: Man braucht schon einen Strang, der ungefähr zehn oder fünfzehn Basen lang ist.

00:09:36: Zwei davon, die komplementär zueinander sind.

00:09:39: Die bleiben dann wenn genug Salz vorhanden ist, wenn die Temperatur Raumtemperatur ist Und der Puffer im richtigen pH-Wert ist, also in so einem normalen pH Wert um die sieben Acht wie wir ihn auch im Körper haben.

00:09:52: Dort bleibt die DNA zusammen und wenn man es dann aufheizt, dann geht's wieder auseinander!

00:09:57: Ich bin mir sicher ihr habt jetzt mindestens so viele Fragen im Kopf wie ich.

00:10:00: Die müssen wir erst mal abarbeiten.

00:10:03: Wo bekommt man die DNA her?

00:10:04: Du kannst ja nicht in den Supermarkt gehen und sagen ich kaufe mir ein Kilo DNA.

00:10:07: Also Kilo ist ein bisschen teuer.

00:10:10: aber so ein paar Mikrogramm oder Milligramm kann man sich tatsächlich einfach bestellen

00:10:14: Wirklich?

00:10:15: Einzelstränge bis zu hundert, zweihundert Basen lang können wir uns tatsächlich einfach bestellen.

00:10:22: oder man könnte sich auch ein Gerät ins Labor stellen und sie sich dort selber herstellen.

00:10:28: Und diese Firmen bei denen wird es bestellen haben eben viele dieser Geräte bei sich umstehen.

00:10:32: das sind DNA Synthesizer also Synthetisierer.

00:10:35: die machen tatsächlich genau wie man sich das noch naiv vorstellen könnte.

00:10:40: Man kippt eine Base rein, die bindet an der Oberfläche an und dann sagt man so jetzt darf die nächste Base kommen, dann spült man erstmal alle Kopien dieser ersten Basen weg Dann kommt die nächste base, dann bindet sie an, dann spielt man wieder alles weg, dann kommt die nächsten Base und kann diese Schritt für Schritt, Base für Base sich sehr viele Kopien Dieser Sequenz, die man da eben sequenziell eine Base nach der anderen hineingibt in den Synthesheiser kommt dann am Ende dieser Strange heraus.

00:11:09: Das ist der synthetische Weg, kurze DNA-Stränge herzustellen und die Kosten sind ungefähr auf der Größenordnung ja so ein Strang von zwanzig Basen kostet uns vielleicht drei Euro.

00:11:21: Es ist auch nicht irgendwie unglaublich teuer.

00:11:23: also man kriegt dann am ende vielleicht ein paar Milliarden oder Billionen solcher Stränge also sehr viele für diese paar Euro.

00:11:30: Die Menge ist aber sehr geringe.

00:11:33: das sind dann ein paar Mikrogramm, die wir normalerweise kriegen.

00:11:36: Wir können uns aber auch DNA von Bakterien herstellen lassen zum Beispiel.

00:11:39: Und ist es für euch egal, welche DNA ihr da verwendet?

00:11:42: oder reagieren die unterschiedlich?

00:11:45: Wir könnten die DNA jedes Organismus nehmen – das ist alles dieselbe.

00:11:48: Also chemisch sieht die DNA eines Frosches genau gleich aus wie die eines Menschen oder eben von diesem Fagen.

00:11:55: Das sind alle komplett gleiche Bausteine nur dass es halt mit dem Fagen und dem Bakterium sehr einfach geht sich Sequenzen herstellen zu lassen, die wir schon haben.

00:12:06: Was wir im Labor tatsächlich machen, wir bestellen sie uns.

00:12:09: Die wird uns geliefert und synthetisch hergestellt zum größten Teil – und vermischen die dann mit unseren Strengen aus dem

00:12:15: Fagen.".

00:12:17: Jetzt ist aber die Frage wie man auf die Idee kommt, mit DNA-Strukturen Energiekonversionssysteme zu bauen?

00:12:24: Schauen wir zurück!

00:12:25: Vor über vierzig Jahren hat der amerikanische Forscher Ned Siemen das Potenzial von DNA als Baumaterial erkannt.

00:12:33: Er entwarf schon einfache Gitter und einen DNA-Würfel, der zehntausendmal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares.

00:12:42: Vor ziemlich genau zwanzig Jahren hat dann Paul Rothemont am Caltech schon Rechtecke, Dreiecke und Smilies mit DNA-Aurigami gefaltet – aber erst mal nur zweidimensional!

00:12:54: Hier in München hat der Fritz Simmel mein Doktorvater mit DNA gearbeitet, dort habe ich promoviert.

00:13:00: Er hat mich also für dieses Thema interessiert wie man mit DNA Strukturen bauen kann.

00:13:04: Ich bin dann in die USA gegangen und beim William Ski sind wir dann dran gegangen das in drei Dimensionen zu erweitern.

00:13:11: Und mit diesen dreidimensionalen DNA Origami-Strukturen in der Hand bin ich dann zurückgekommen und hab gefragt so was kann ich jetzt damit machen?

00:13:19: Ja und ich war immer im Physikumfeld Somit interessiert an physikalischen Fragen, an optischen Fragen.

00:13:27: Und habe mich in diese Richtung entwickelt.

00:13:29: und dann kam ... Die Energieforschung, die mich.

00:13:33: als Physikstudent wollte ich noch Windkrafträder bauen.

00:13:36: Und dann kam eben E-Conversion auf den Plan und das hat mich natürlich interessiert.

00:13:40: Dann war dann die Frage anders herum so wie kann ich mit DNA etwas dazu beitragen?

00:13:46: Wir haben diese Kristalle hergestellt, die sowohl als photonische Kristalle agieren können aber auch als Framework für katalytische Prozesse.

00:13:56: Schauen wir uns diese photonischen Kristallen mal genauer an!

00:13:59: Photonische Kristalle sind Materialien mit einer winzigen regelmäßigen Struktur, die bestimmte Lichtfarben blockiert oder durchlässt.

00:14:08: Ähnlich wie ein Filter – nur durch die Struktur selbst nicht durch Farbe und Chemie.

00:14:13: Damit kann man eine bessere Datenübertragung bei Glasfaserkabeln schaffen oder Laser effizienter machen.

00:14:20: In der Natur gibt es sie übrigens auch zum Beispiel wenn ein Schmetterling oder Käfer besonders schimmert Und Tim Liedl und seine Gruppe stellen eben solche fotonischen Kristalle her.

00:14:31: Sie falten dafür erstmal sogenannte Tetrapods.

00:14:34: Wir stellen uns einfach vier Stehbevor, die von einem Punkt ausgehen in vier Raumrichtungen und zwar alle im gleichen Winkel vom anderen Bein entfernt.

00:14:46: Das ist genau die Anordnung wie ein Kohlenstoffatom im Diamant vorkommt.

00:14:51: Das Kohlenstoffatom kann vier Bindungen machen und diese vier Bindung sind in der Regel in vier Raumrichtungen, in dieser tetraedischen Anordnung.

00:14:59: So jetzt haben wir eben dieses kleine künstliche Kohlenstoffatom gebaut ja das aber fünfhundert mal größer ist als das oder tausendmal größer als ein Kohlen- stoff atom.

00:15:08: also jetzt kann mein Tetrapott einer kann mit einem zweiten Tetrapot eine Kohlensstoffkohlenstoffbindung eingehen und mit dem nächsten Tetrapod noch eine und so kann man sich dann einen Kristall aus Kohlenstockatom zusammensetzen.

00:15:20: Diamant, wie es der Zufall so will ist nichts anderes als ein Kristall aus Kohlenstoffatom in der richtigen Anordnung.

00:15:28: Und das konnten wir eben mit unseren DNA auch egal wie Tetrapod machen und das Ziel war tatsächlich einen photonischen Kristall herzustellen.

00:15:36: Ein photonischer Kristall ist ein Material, dass Licht gewisser Wellenlängen nicht durchlässt.

00:15:44: Das kann man sich tatsächlich relativ einfach vorstellen.

00:15:47: Wir haben diese gefalteten Quasi-Kohlenstoffatome, die sind so ungefähr hundert bis zweihundert Nanometer groß und die Wellenlänge von sichtbarem Licht – das wir mit unserem Auge sehen können also grünes Licht zum Beispiel hat eine Wellenlinge von fünfhundert Nanometern.

00:16:02: Wenn die Struktur eines Materials genau zu diesen Größenordnungen passt, kann sie Licht gezielt reflektieren statt es durchzulassen.

00:16:10: Und ich nehme an, es gibt verschiedene Möglichkeiten, photonische Kristalle herzustellen und ihr habt jetzt eine gefunden eben das mit DNA-Aurigami zu machen.

00:16:18: Genau!

00:16:19: Photonische Kristallen sind eben sehr komplex herzustellt.

00:16:22: Sie müssen ganz genaue Strukturen haben und es gibt wenige Wege in einem Selbstassimplierungsprozess zu machen.

00:16:30: und mit unserem haben wir es also geschafft einen photonischen Kristallherzustellen der im neuen Ultraviolettenlicht arbeitet Und inzwischen sind wir auch sogar ins sichtbare Licht vorgedrungen, also jetzt haben wir einen photonischen Kristall der im Blauen reflektiert.

00:16:46: Wie gesagt mit Self-Assembly das hinzubekommen ist sehr schwer und da waren wir die ersten die im UV waren und auch am sichtbaren.

00:16:53: mit des blaue Lichts sind wir wahrscheinlich dann auch die Ersten die das mit Self Assemblien bekommen.

00:16:58: Unser Ansatz ist aber eben wir bauen alles in kleinen Plastikröhrchen.

00:17:03: Also wir kippen da unsere DNA rein und dann bauen wir zuerst diesen DNA-Aurigamin-Tetrapod, dann stellen wir von dem einige ein bisschen was her.

00:17:13: Reinigen denen etwas auf und dann setzen wir den für eine Woche einer bestimmten Temperaturrampe aus und dann wächst dieser Kristall.

00:17:22: Jetzt sind wir zwischen dabei das Aufoberflächen zu machen und dann idealerweise das in gezielten Mustern auf Oberflächen die wachsen zu lassen um dann eben diese eine Kombination mit der Chip-Technologie herzustellen, dass wir unsere photonischen Kristalle eben dann auch dort haben, wo wir sie haben wollen und nicht nur in Lösung.

00:17:38: Das wäre die Anwendung für das optische

00:17:40: Computing.".

00:17:41: Jetzt wird es noch interessanter denn von der bloßen Theorie und diesem Gefühl cool!

00:17:46: Wir können DNA falten geht's jetzt in Richtung.

00:17:49: was machen wir damit?

00:17:51: Tim Liedl hat das Optische ComputING angesprochen.

00:17:54: Derzeit werden gigantische Mengen an Strom gebraucht um Rechenzentren zu betreiben.

00:17:59: Stichwort ist hier auch künstliche Intelligenz, die als besonders energieintensiv gilt.

00:18:04: Oder wie Tim Liedl es sagt?

00:18:06: Ich weiß nicht welche Mengen an Energie einfach nur in Informationsprozessierung verbraten weil wir Elektronen hin und her schubsen.

00:18:14: Es wäre viel effizienter wenn wir das Ganze mit Photonen machen können Und dafür gibt's viele Konzepte.

00:18:20: Das ist jetzt nicht mein spezielles Forschungsgebiet Aber um mit den Photonen besser rechnen zu können sind photonische Kristalle ein Weg um diese Strukturierung auf der Wellenlänge des Lichts in dieser längeren Skala Oberflächen und Chips am Ende vielleicht herstellen zu können.

00:18:37: Also da wäre sehr viel für den Energiehunger unseres Planeten getan, wenn wir in zwanzig Jahren mit fotonischen Rechnern arbeiten, wo fotonische Kristalle eine Rolle spielen können – eine große Rolle

00:18:50: spielen kann.

00:18:51: Wie groß ist denn dann so ein Kristall ungefähr?

00:18:53: Wir kriegen inzwischen Kristalle hin, die fünfzig Mikrometer oder hundert Mikrometern groß sind.

00:18:57: Das ist dann schon so groß wie eine Hautzelle oder hundmal so groß als ein Bakterium und die kann man mit bloßen Auge inzwischen sehen.

00:19:06: Also hundert Micrometer das ist ein Zehntel Millimeter, das ist ne Harticke.

00:19:09: also wir sehen die tatsächlich inzwischen mit bloßem Auge, mit einem einfachen Mikroskop sind sie super zu sehen.

00:19:15: Und in einen so nem Kristall sind dann ungefähr zehn Millionen oder mehr unserer DNA Origami quasi Kohlenstoffatome drin.

00:19:24: Das sind schon enorme Dinge und das ist ein Kristall, also das ganze Ding hat genau eine kristalline Struktur.

00:19:31: Also da war ich schon sehr stolz.

00:19:35: Wenn ihr jetzt sagt ihr wollt so einen Kristall zum Beispiel herstellen?

00:19:37: Und wir haben ja gehört dass es mehrere Schritte braucht bis ihr da seid wie lange dauert das?

00:19:42: Das ist eine interessante Frage.

00:19:44: die DNA-Struktur lassen wir meistens über Nacht falten.

00:19:47: abends kippen wir unsere Einzelstränge und den langen Skaffollstrangen zusammen, dann setzen wir das auf die Laborbank in ein Thermocycler heißtes Gerät.

00:19:57: Also ein Gerät, dass die Temperatur halt eben auf Achtzig Grad fährt, dann bisschen runter und da gehen wir schrittweise runter bis sich die Origami-Struktur gefaltet hat.

00:20:05: Das lassen wir über Nacht passieren Dann reinigen wird es auf.

00:20:08: Das passiert im Vormittag Und dann mischen wir das nochmal mit ein paar neuen DNA Strängen, die dann dafür sorgen, dass diese Origami Strukturen zueinander kommen.

00:20:17: also was ich unser Kristall bilden kann.

00:20:20: Der Prozess, den können wir auch wieder über Nacht machen oder wir machen es über eine Woche oder über zwei Wochen und je nachdem wie lange man's macht desto besser werden die Kristalle.

00:20:29: Man kann da sehr viel dran spielen.

00:20:32: um das ganze zu optimieren haben wir aber alle Protokolle natürlich veröffentlicht sind da völlig transparent dass das auch alle nachmachen können.

00:20:39: was klappt schon und was klappt noch nicht?

00:20:41: Eine Sache die Dabei immer auch offensichtlich wird ist, dass die meisten Reaktionen und die meisten Bauteile nicht zu hundert Prozent funktionieren.

00:20:51: Das heißt wir haben immer einen gewissen Anteil an Bauteilen, die so funktionieren wie wir uns das vorstellen aber in den seltensten Fällen alle.

00:20:59: Wir haben da Bauteile, die aus bis zu zwei Monaten Komponenten bestehen und dass wirklich alle Komponenten immer an der genau richtigen Stelle sind hat jeweils eine Wahrscheinlichkeit.

00:21:08: Die kann jeweils bei neunneinzig Prozent sein.

00:21:11: Bei zweihundert sind sie dann aber trotzdem im unteren Prozentbereich.

00:21:15: Und entsprechend funktioniert eben nicht alles und auch nicht alle

00:21:18: Bauteilen.".

00:21:20: Die Technik des DNA-Origami wird also immer besser!

00:21:23: Man kann immer mehr Dinge damit verwirklichen.

00:21:25: Da ist dann auch die Idee naheliegend, dass man diese Technik dazu verwenden kann, damit Dinge eine Funktion bekommen.

00:21:32: Also etwas tun!

00:21:34: Wir können mithilfe von DNA als Material-, als Baustein komplexe Materialien bauen und komplexen Funktionen bauen, wie man das mit keinem anderen Material kann – was natürlich ungewöhnlich daherkommt, weil man das nicht direkt mit DNA assoziiert.

00:21:49: Wir können jetzt uns vorstellen, wir nehmen einen Zwei-D Material.

00:21:52: Wir verknüpfen das mit einem metallischen Partikel was besondere Eigenschaften hat.

00:21:57: Das wiederum mit dem Farbstoff Molekül noch mit dem Protein und das müssen wir alles genau zueinander anordnen damit die Funktion entsteht Und dafür brauchen wir ein Gerüstmolekül, was das relativ zueinander anordnet.

00:22:10: Das ist in diesem Fall die DNA.

00:22:12: Nur mit der DNA können wir über die Vielzahl der unterschiedlichen Wechselwirkungen als Gerüstmolekül und als Kleber die ganzen anderen Bauteile so zusammenbringen, dass die Funktion entsteht.

00:22:24: Machen wir es konkreter!

00:22:25: Wir haben eine Anwendung jetzt noch daraus entwickelt, dass es für Diagnostik entwickelt werden kann.

00:22:30: Dass wir nämlich jetzt zum Beispiel auch andere Moleküle einfangen können und die dann tausendfach sensitiver detektieren können als wir's vorher machen konnten.

00:22:38: Also das hat sich... Haben sich verschiedene Anwendungen daraus entwickeln, die einmal im engeren Sinne Energie-Konversionsprozesse sind oder sogar bis zu diagnostischen Anwendungsanwändungen für die Detektion von Biomolekülen.

00:22:52: Also in der Medizin dann Diagnastik?

00:22:53: Am Ende des Tages, genau.

00:22:55: Also es gibt jetzt bei mir drei Mitarbeitende die sich bemühen Geld dazu bekommen um das Richtung eine Ausgründung zu machen.

00:23:03: Es geht eben um die Idee dass man dadurch dass das Signal so stark ist kann man einzelne Molekule sogar mit einem relativ einfachen Mikroskop detektieren wo man eine Smartphone Kamera als Detektor nimmt.

00:23:17: Ja, das kostet dann... Dann kann man ein solches Molekül detektieren mit einem Aufbau.

00:23:20: Der kostet noch tausend Euro oder vielleicht dann mit dem kleinen Laser dabei vielleicht dann tausende Fünfhundert Euro.

00:23:25: und man kann einzelne Moleküle detektiert und wenn man es geschickt baut, ist das zum Beispiel eine Nukleinsäure von einem Virus die darüber detektierter werden kann.

00:23:37: Was in den meisten Exzellenzklastern passiert, ist Grundlagenforschung.

00:23:41: Da geht es also nicht um konkrete Anwendungen sondern darum zu verstehen warum Dinge so sind wie sie sind.

00:23:47: und trotzdem kann daraus später oft auch eine sinnvolle Anwendung entstehen.

00:23:52: Vielleicht ein kleines Beispiel als ich damals im Labor von Wilhelm Schie und wir haben dieses DNA Origami in drei Dimensionen gemacht und wir hatten damals schon Goldpartikel angehängt Wussten wir wirklich überhaupt nicht.

00:24:06: Wofür?

00:24:07: Also es war irgendwie klar, Goldpartikel anordnen und an Origami kann für irgendwas gut sein.

00:24:13: Jetzt letztes Jahr, das war im Jahr zwanzig, zwei tausend neun also sechzehn Jahre später wurde hier die Firma Amplifold gegründet, die eben genau diese Sechs Helix Bündel genommen haben daran Goldpartikel anbinden Und damit diese Schnelltests, also wie wir sie aus der Corona-Zeit kennen, hundertfach bis hundertfünfzigfach verbessert haben.

00:24:34: Also sensitiver gemacht haben.

00:24:36: Das braucht alles immer Zeit und mit ein bisschen Glück gibt es ab nächstem Jahr dann Tests die für Herzinfarktenmarker sensitiver sind.

00:24:45: ja und insbesondere Frauen könnten davon profitieren dass das Troponin, das bei Herzinfakten im Blut auftaucht, dann schneller detektiert werden kann.

00:24:55: Eine Anwendung wären z.B.

00:24:56: auch winzig kleine Roboter, die mit DNA-Nanotechnologie funktionieren.

00:25:01: Bei den Robotersystemen gibt es verschiedene große Visionen dieses Forschungsfeldes, wo man DNA und Technologie einsetzt.

00:25:08: Die eine große Vision ist, dass man Roboter hat, die gezielt durch unseren Körper wandern und detektieren, wenn irgendwo was schief geht und am besten sofort eingreifen und das reparieren.

00:25:22: Man stellt sich vor, man hat eine kranke Zelle.

00:25:25: Die hat ein bisschen andere Oberflächenrezeptoren.

00:25:27: Vielleicht ist in der Nähe auch ein anderer pH-Wert oder ein anderer Wert anders?

00:25:31: D.h.,

00:25:31: man hat verschiedene Werte, die sich verändern und wir haben jetzt die Nano-Roboter, die fühlen das und die können reagieren.

00:25:39: Und z.B.

00:25:39: diese gezielt eine Zelle entweder heilen oder die dann abtöten wenn es ne krankmachende Zelle ist.

00:25:45: Das ist ja die große Vision, die wir mal haben wenn wir über Medizin in dreißigvierzig Jahren denken würden.

00:25:54: Und da hat eben die DNA-Nanotechnologie mit diesen Möglichkeiten, die schon beschrieben hat auch die Möglichkeit eine Sensorik zu machen und dann aber sogar aktiv zu werden.

00:26:05: Und unsere Anwendung in diesem Bereich ist, dass wir vor allem auch uns um die Energieversorgung dieser Systeme Gedanken gemacht haben.

00:26:12: Dass wir also überlegt haben wie können diese Berechnungen auf einen DNA-System so energiegünstig ablaufen?

00:26:19: Dass man keine extra fuels, also irgendwie ein Antrieb braucht oder eine Energiequelle

00:26:26: Würde ich dann so einen Roboter sozusagen schlucken oder injiziert bekommen und der bleibt in meinem Körper drin und repariert da ständig was?

00:26:34: Also die dreißigvierzig Jahre, da könnte ich mir sowas vorstellen dass wir dann wirklich eine Innektion haben oder eine Pille schlücken und dann kontinuierlich überwacht werden.

00:26:44: Aber es wird viel früher schon zur Anwendung kommen wo die Fähigkeit genutzt wird, dass man nicht mehr so wie heute typisch ... also wir sind ja schon weiter.

00:26:52: Früher hatten wir kleine Moleküle die wirken irgendwo im Körper.

00:26:55: mittlerweile haben wir schon Molekule, die finden bestimmte Strukturen im Körper und wirken nur dort.

00:27:02: da sind wir schon Und jetzt wird es weitergehen.

00:27:04: das wir sagen okay wenn aber nur leichte Veränderungen sind oder wie eine Krebszelle Ähnliche Rezeptoren hat wie eine gesunde Zelle, nur vielleicht den einen etwas mehr und den anderen etwas weniger.

00:27:16: Das heißt dass wir anfangen die zu unterscheiden.

00:27:19: Es klingt schon wie Science Fiction oder?

00:27:22: Nun ist aber das Exzellenzklaster bei dem wir heute zu Gast sind kein medizinisches Cluster sondern hier geht es um Econversion, um Energieumwandlungen.

00:27:32: Und hier soll die DNA Nanotechnologie zum Beispiel dazu dienen Energieumwandelungen besser, effizienter und günstiger zu machen.

00:27:41: Wir denken an die letzte Folge zu diesem Exzellenzklaster, da haben wir über Fotokatalyse gesprochen.

00:27:59: Das alles

00:28:09: zeigt schon, eigentlich sind der Fantasie in diesem Bereich kaum Grenzen gesetzt.

00:28:14: Die DNA-Origamitechnik lässt sich für viele Anwendungen einsetzen.

00:28:18: Wir könnten uns natürlich jetzt zum Beispiel für unsere photonischen Kristalle oder überhaupt für unsere Kristalle alle möglichen Kristallstrukturen vorstellen.

00:28:25: also wir haben jetzt einen Kohlenstoffatom gemacht.

00:28:29: ja wir können auch andere Atome nachbauen im Grunde und dann komplexere Strukturen machen quasi Kristalle.

00:28:37: Dafür brauchen wir dann noch mehr Zusammenspiel zwischen den Bindungen.

00:28:41: Das wird gehen, ich bin mir sicher, in fünf Jahren werden wir einen ganzen Zoo an Kristallstrukturen gemacht haben die alle möglichen Kristall-Strukturen, die wir aus atomistischer Ebene erkennen können, in einer anderen Längenskala nachbauen.

00:28:56: Wie ich das momentan mitbekomme ist in sehr vielen Bereichen der Wissenschaft die KI auch eine Hilfe dabei große Datenmengen zum Beispiel besser damit klarzukommen.

00:29:06: Hat die bei euch auch eine Beschleunigung gebracht?

00:29:09: KI in diesem speziellen Gebiet der DNA-Nanotechnologie, würde ich sagen ist wahrscheinlich das letzte Mal dass wir da noch ohne KI solche Entwicklungssprünge gesehen haben.

00:29:19: wenn wir jetzt vorausblicken und sagen komplexere Funktionen noch mit Proteinen erreicht werden können.

00:29:25: Das ist der Bereich, der ohne KI überhaupt nicht funktioniert weil da unsere Vorhersehsagbarkeit von Proteinstrukturen erst möglich geworden ist durch die KI-Algorithmen.

00:29:36: Das heißt, dass es überall jetzt durchdringt ist die ganzen neuen Entwicklungen.

00:29:41: Und dann die nächsten Integration und die nächsten ebenden künstliche Enzyme, künstlige Katalysefunktionen zu generieren wird alles nur mit KI möglich sein.

00:29:52: Habt ihr jetzt auch Lust einen Kranich zu falten?

00:29:56: Spaß beiseite!

00:29:57: Wir können gespannt sein was aus diesen Laboren in den kommenden Jahren noch zu hören sein wird.

00:30:02: Jetzt gibt's erst mal hier nichts mehr zu hören, wir sind am Ende der Folge angekommen.

00:30:06: In der nächsten Episode nehm ich euch wieder mit in ein anderes Cluster falls ihr mehr über Econversion wissen wollt!

00:30:12: Es gab bereits zwei Folgen eine im Juli zwanzig vierundzwanzig in der wir uns mit Energie aus Licht und der Magie der Photokatalyse beschäftigt haben und einer aus dem Mai zwanzich zweihundzwzig.

00:30:24: da ging es um starke Akkus für die Energiewende.

00:30:28: Wir hören uns bald wieder.

00:30:29: bis dahin bleibt neugierig.

00:30:36: Eure Larissa Vassilian Wenn euch der Podcast gefallen hat, abonniert exzellent erklärt bei dem Podcast Anbieter eurer Wahl.

00:31:04: Ihr habt noch Fragen?

00:31:04: Hättet ihr?

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