DNA-Moleküle als Boards für optische Schaltkreise

Forscher der Ludwig-Maximilians-Universität München haben in einem neuartigen Ansatz gezeigt, wie die Ausbreitungsrichtung von Licht auf der Ebene einzelner Moleküle manipuliert werden kann. Dazu platzierten die Biophysiker eine Kaskade von vier verschiedenen Fluoreszenz-Farbstoffmolekülen auf einer DNA-Plattform im Nanometer-Maßstab. Mithilfe eines sogenannten Springer-Farbstoffs gelang es ihnen, die Richtung des Lichtweges zu kontrollieren. Der Erfolg dieser Strategie, die im Rahmen des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) entwickelt und von der Deutschen Forschungsgesellschaft gefördert wurde, konnte mit einer neuen Vier-Farben-Einzelmolekültechnik sichtbar gemacht werden.

Um Licht auf der Nanoskala zu kontrollieren, bedarf es neuer optischer Bauteile, die als Drähte und Schalter fungieren. Als eine Art Draht könnte der Energietransfer zwischen einzelnen Farbstoffen wirken. In der Natur gibt es für diesen Transfer bereits ein prominentes Beispiel: In der Photosynthese wird Lichtenergie in Lichtsammelkomplexen zwischen Molekülen transportiert.

Damit die Moleküle - beispielsweise in künstlichen Lichtschaltkreisen - miteinander wechselwirken können, dürfen sie nur rund fünf Nanometer auseinander liegen. Dies gelingt den Wissenschaftlern mithilfe eines winzigen Steckbrettes, für das sie das Biomolekül DNA als Baustoff verwenden. Zunächst binden sie jedes Farbstoffmolekül an einen kurzen künstlichen DNA-Strang. Diese beladenen Abschnitte und rund 200 weitere kurze DNA-Stränge dienen anschließend als eine Art Heftklammern. Sie helfen einem einzelnen, sehr langen DNA-Faden dabei, sich selbstständig in eine zwei- oder auch dreidimensionale Struktur zu falten.

Die Ergebnisse der Forschung könnten zukünftig in optischen Schaltkreisen zum Einsatz kommen. Bereits länger wird intensiv an Bauelementen für das Computing geforscht, in denen der elektrische Strom durch Licht ersetzt wird. Dadurch ließen sich deutlich kleinere Architekturen entwickeln, weil die Gefahr des Auftretens von Leckströmen beseitigt wäre. Hinzu kommt, dass auf einzelnen Leitern durch Licht in unterschiedlichen Frequenzen mehr Daten übertragen werden können.