Kunst mit DNA: Am Institut für Anorganische Chemie der Universität Wien wurde eine immense Anzahl an Farben digital erzeugt. Den Forschenden ist es gelungen, fluoreszierende Duplexe herzustellen, die jede beliebige von 16 Millionen Farben erzeugen können.
Die DNA-Doppelhelix besteht aus zwei DNA-Molekülen, deren Sequenzen komplementär zueinander sind. Die einzigartige Fähigkeit komplementärer DNA-Sequenzen, sich zu erkennen und als Duplexe zusammenzufügen, ist der biochemische Mechanismus dafür, wie Gene abgelesen und kopiert werden. Die Regeln der Duplexbildung (Hybridisierung) sind einfach und unveränderlich – was sie vorhersehbar und programmierbar macht. Die Programmierung der DNA-Hybridisierung ermöglicht es, synthetische Gene zusammenzusetzen und Nanostrukturen in grossem Massstab zu bauen.
Die Stabilität kann im Labor durch die Kontrolle der Anzahl und der Position von nicht vollständig komplementären Sequenzen genauestens angepasst werden. Fluoreszierende Marker, die an einen der DNA-Stränge gebunden sind, machen die Stabilität der Duplex sichtbar, wobei stabilere Strukturen eine höhere Intensität der Fluoreszenz aufweisen.
An der Universität Wien ist es Forschenden nun gelungen, fluoreszierende Duplexe herzustellen, die jede beliebige von 16 Millionen Farben erzeugen – und die bisherige Einschränkung auf 256 Farben weit übertreffen. Die umfangreiche Farbpalette kann zum «Malen» mit DNA und zur genauen Reproduktion beliebiger digitaler Bilder auf einer Miniatur-2D-Oberfläche mit 24 Bit Farbtiefe verwendet werden.
256 Farbtöne pro Farbkanal
Der Prozess setzt eine perfekte Sequenzkomplementarität voraus. Eine Programmierung der Instabilität erweitert die Möglichkeiten zur Manipulation molekularer Strukturen erheblich und findet Anwendung im Bereich der DNA- und RNA-Therapeutika. In der im Journal of the American Chemical Society publizierten Studie wurde gezeigt, dass durch kontrollierte Hybridisierung 16 Millionen Farben erzeugt werden und jedes digitale Bild im DNA-Format genau reproduziert wird.
Um Farben zu erzeugen, werden verschiedene kurze DNA-Stränge, die mit fluoreszierenden Molekülen (Markern) ausgestattet sind, mit einem langen komplementären DNA-Strang auf der Oberfläche hybridisiert. Die verwendeten Marker leuchten entweder rot, grün oder blau. Um die Intensität der einzelnen Farben zu variieren, wird die Stabilität einer Duplex durch gezieltes Entfernen von Basen des DNA-Strangs an zuvor festgelegten Positionen entlang der Sequenz verringert. Eine geringere Stabilität führt zu einem dunkleren Farbton, und die Feinabstimmung dieser Stabilität ermöglicht 256 Farbtöne pro Farbkanal. Innerhalb einer DNA-Duplex können alle Schattierungen gemischt und angepasst werden, wodurch 16 Millionen Kombinationen entstehen und die Farbkomplexität moderner digitaler Bilder erreicht wird. Um diesen Grad an Präzision bei der Übersetzung von DNA in Farbe zu erreichen, mussten mehr als 45’000 unterschiedliche DNA-Sequenzen synthetisiert werden.
Leinwand in Fingernagel-Grösse
Dazu verwendeten die Forschenden eine Methode zur parallelen DNA-Synthese, die «Maskless Array Synthesis» (MAS). Damit werden Hunderttausende einzigartige DNA-Sequenzen gleichzeitig und auf derselben Oberfläche, einem Rechteck von der Grösse eines Fingernagels, hergestellt. Da der Ansatz es erlaubt, die Position jeder DNA-Sequenz auf dieser Oberfläche zu kontrollieren, kann auch die entsprechende Farbe gezielt einer gewählten Position zugewiesen werden.
Durch die Automatisierung des Prozesses mit Computerskripten wurde jedes Bild in eine DNA-Fotokopie mit exakter Farbwiedergabe verwandelt. «Unsere Oberfläche wurde zu einer Leinwand, auf der wir mit DNA-Molekülen im Mikrometermassstab malen», sagt Jory Lietard, Gruppenleiter am Institut. Die Auflösung ist derzeit auf XGA beschränkt, aber der Reproduktionsprozess ist auf 1080p und möglicherweise auch auf 4K anwendbar.
