DNA-Nanotechnologie Hot Paper DOI: 10.1002/ange.201403965 Oberflächenunterstützte großflächige Anordnung von DNA-Origami- Kacheln** Ali Aghebat Rafat, Tobias Pirzer, Max B. Scheible, Anna Kostina und Friedrich C. Simmel* Abstract: Die großflächige Anordnung von DNA-basierten Nanostrukturen in geordnete Überstrukturen ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu deren Nutzung als funktionale mole- kulare Materialien. In dieser Arbeit zeigen wir, dass durch elektrostatische Kontrolle der Adhäsion und der Mobilität von DNA-Origami-Strukturen auf Glimmeroberflächen mittels einfacher Zugabe von monovalenten Kationen große geord- nete 2D-Gitterstrukturen aus Origami-Kacheln erzeugt werden kçnnen. Die Gitter kçnnen entweder durch dichtes Packen symmetrischer, wechselwirkungsloser DNA-Origami-Struktu- ren erzeugt werden oder durch Nutzung von Basenstapel- wechselwirkungen zwischen Origamieinheiten. Die resultie- renden kristallinen Gitter kçnnen direkt als Vorlage für die strukturierte Anordnung von Proteinen genutzt werden. In den vergangenen Jahrzehnten wurde Selbstassemblierung auf der Grundlage der spezifischen und programmierbaren Erkennungswechselwirkungen zwischen DNA-Molekülen als Strategie für die Erzeugung von künstlichen molekularen Strukturen auf der Nanoskala etabliert. [1] Vor allem die DNA- Origami-Methode [2] machte es mçglich, nahezu beliebig ge- formte Objekte herzustellen, die zusätzlich mit funktionalen Molekülen oder Nanopartikeln mit einer räumlichen Auflç- sung von nur wenigen Nanometern bestückt werden kçnnen. Diese Fähigkeit resultierte bereits in einer Vielzahl von mçglichen Anwendungen der DNA-Nanotechnologie, aus- gehend von Nanomaterialien [3] über Biosensoren [4] bis hin zur Nanomedizin. [5] Für viele Anwendungen wäre es wün- schenswert, die durch DNA-Selbstassemblierung erzielte „lokale Ordnung“ auf grçßere Längenskalen auszudehnen, z.B. für die Herstellung von DNA-basierten Materialien oder die Zusammenführung mit Top-down-Herstellungsmetho- den. Für die Erzeugung von großskaligen Strukturen aus kleinen (d. h., nicht auf Origami basierenden) DNA-Kacheln wurden zuvor mehrere nützliche Ansätze gefunden. Abge- sehen von der Entwicklung starrer molekularer Bausteine [6] haben sequenzsymmetrische Wechselwirkungen, [7] die präzise Kontrolle von Nukleations- und Wachstumsparametern [8] und die Verwendung schwacher, kooperativer Wechselwirkungen zu besonders gut geordneten Strukturen in zwei und sogar drei Dimensionen geführt. [9] Auch wurde gezeigt, dass die Anwesenheit einer Oberfläche die Erzeugung von ausge- dehnten Gittern aus kleinen T-fçrmigen DNA-Strukturen [10] oder sternfçrmigen Kacheln [11] unterstützen kann. Im Gegensatz zu kleinen DNA-Kacheln kçnnen DNA- Origami-Strukturen eine Vielzahl von Formen annehmen, und sie erlauben auch eine komplexere chemische Funktio- nalisierung. Frühere Ansätze zur großskaligen Anordnung von DNA-Origami-Strukturen nutzten lithographische Strukturierung, [12] längere DNA-Gerüststränge, [13] Polymeri- sation [14] und die Assemblierung in Superstrukturen durch Hybridisierung [15] oder Basenstapelwechselwirkungen. [10, 16] Das einzige erfolgreiche Beispiel eines ausgedehnten 2D- Kristalls aus DNA-Origami-Kacheln wurde zuvor von Liu et al. [17] vorgestellt und basierte auf der Hybridisierung der einzelsträngigen Enden kreuzfçrmiger Origami-Strukturen. Eine Temperaturrampe über mehrere Tage resultierte in kristallinen 2D-Gittern mit Abmessungen von bis zu 5  10 mm 2 . Hier zeigen wir, dass eine oberflächenunterstützte An- ordnung [10, 11] von DNA-Origami-Strukturen ebenfalls er- reicht werden kann, wenn schlichtweg deren Oberflächen- mobilität durch Zugabe von monovalenten Salzen (Sche- ma 1) erhçht wird. In der Regel werden DNA-Origami- Strukturen in Experimenten mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) auf negativ geladenem Glimmer stark adsorbiert, um ein stabiles Abbilden zu gewährleisten. Dabei wird die Ad- Schema 1. Die Oberflächenbeweglichkeit von DNA-Origami-Strukturen auf Glimmer kann durch die Zugabe von monovalenten Kationen ver- ändert werden. Abhängig von der Symmetrie der Origami-Bausteine und deren Wechselwirkungen kçnnen sich großskalige zweidimensio- nale Anordnungen bilden. [*] A. Aghebat Rafat, [+] Dr. T. Pirzer, [+] M. B. Scheible, A. Kostina, Prof. Dr. F. C. Simmel Physik-Department E14 und ZNN/WSI, TU München Am Coulombwall 4a, 85748 Garching (Deutschland) E-Mail: simmel@tum.de Prof. Dr. F. C. Simmel Nanosystems Initiative Munich Schellingstraße 4, 80539 München (Deutschland) [ + ] Diese Autoren haben zu gleichen Teilen zu der Arbeit beigetragen. [**] Wir danken der Volkswagen Stiftung (FKZ 86 395), dem EU Marie Curie Initial Training Network EscoDNA und dem DFG-Exzellenz- cluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) für die finanzielle Unterstützung sowie A. Kuzyk für initiale Arbeiten zu diesem Pro- jekt. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.201403965 zu finden. A ngewandte Chemi e 7797 Angew. Chem. 2014, 126, 7797 –7801  2014 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim