Basel entwickelt Nanoroboter mit DNA-Klettverschluss: 84 % der Krebszellen abgetötet

Stellen Sie sich einen Roboter vor, der so klein ist, dass er durch den Blutkreislauf schwimmen, sich auf Befehl selbst zusammensetzen, vor Ort ein Medikament herstellen und dann eingesammelt, neu betankt und wiederverwendet werden kann. Das ist keine Science-Fiction mehr. Ein Team der Universität Basel hat genau das gebaut – einen modularen, wiederverwendbaren Nanoroboter, der sich mit einem DNA-basierten „molekularen Klettverschluss“ zusammenfügt und im Labor bereits Krebszellen abtöten konnte [8, 9].

Unter der Leitung von Professorin Dr. Cornelia Palivan haben die Forschenden einen Nanoroboter entwickelt, der an eine winzige Mondrakete erinnert. Er besteht aus zwei unabhängigen Modulen – einem magnetischen Antriebsmodul und einer Nutzlastkapsel –, die sich selbstständig zusammensetzen, wenn komplementäre DNA-Stränge auf jedem Modul miteinander binden . Der DNA-„Klettverschluss“ ist programmierbar: Die Module können nach Belieben gekoppelt, getrennt und wieder zusammengeführt werden .

Wie der Nanoroboter funktioniert

Die Architektur des Systems ist bewusst einfach und hochgradig anpassbar:

• Modulares Design: Zwei unterschiedliche, rekonfigurierbare Module – ein magnetischer Antrieb und eine Nutzlastkapsel .
• DNA-basierter „molekularer Klettverschluss“: Jedes Modul trägt komplementäre DNA-Stränge. Treffen sie aufeinander, binden die Stränge und schnappen die Module zu einem funktionsfähigen Nanoroboter zusammen. Diese Bindung ist umkehrbar, sodass die Module zurückgewonnen werden können .
• Magnetischer Antrieb: Das Antriebsmodul ist magnetisch und ermöglicht eine externe Steuerung. Ein Magnetfeld kann den Roboter zu einem Ziel – etwa einem Tumor – lenken und später wieder einsammeln .
• Nutzlastkapsel: Die Kapsel beherbergt vier nanoskopische Polymerbläschen, die jeweils mit Enzymen beladen sind. Substrate gelangen durch winzige Poren hinein, Enzyme wandeln sie in aktive Produkte um, und diese Produkte werden lokal freigesetzt. Die Bläschen können auch gezielt geöffnet werden, um bioaktive Verbindungen freizusetzen .
• Andockfähigkeit: Zusätzliche Biomoleküle auf der Nutzlastkapsel ermöglichen es dem Nanoroboter, an bestimmten Zelloberflächen oder Materialien anzudocken .

HeLa-Zell-Test: Ergebnisse

Das Team testete den Nanoroboter an HeLa-Krebszellen, einer häufig verwendeten menschlichen Zelllinie in der Krebsforschung:

• Die Nanoroboter sammelten sich auf der Oberfläche der HeLa-Zellen an, was durch Fluoreszenzmarkierung bestätigt wurde .
• Ausgestattet mit Enzymen, die ein Krebsmedikament produzieren, reduzierten die Nanoroboter die Lebensfähigkeit der HeLa-Zellen innerhalb von 72 Stunden auf 16 % – das bedeutet, 84 % der Krebszellen wurden abgetötet .
• Die Wirksamkeit beruht auf der konzentrierten, lokalen Medikamentenproduktion direkt an der Zelloberfläche, im Gegensatz zur systemischen Verabreichung .

Breitere Anwendungen und nächste Schritte

Das modulare Design bedeutet, dass die Plattform nicht auf die Krebstherapie beschränkt ist. Durch Austausch der Nutzlastkapsel kann derselbe Nanoroboter für völlig andere Aufgaben umgerüstet werden:

• Gezielte Medizin: Wirkstoffe direkt zu Tumoren oder erkranktem Gewebe transportieren, wobei das magnetische Modul das Einsammeln und Wiederverwenden ermöglicht .
• Industriekatalyse: Die Kapsel mit anderen Enzymen befüllen für bedarfsgerechte katalytische Reaktionen in der Produktion .
• Umweltsanierung: Mögliche Anwendungen sind Wasserreinigung und der Abbau von Schadstoffen .
• Wiederverwendbarkeit: Die Module können getrennt, die Nutzlastkapsel neu befüllt und die Module wieder zusammengefügt werden – während das magnetische Antriebsmodul zurückgewonnen und wiederverwendet wird .
• Einsatz beim Menschen: Die Anwendung am Menschen bleibt ein langfristiges Ziel, aber die Plattform ist so ausgelegt, dass sie durch bloße Modifikation der Nutzlastkapsel leicht angepasst werden kann .

Die Forschung wurde in Advanced Functional Materials veröffentlicht (DOI: 10.1002/adfm.202600079). Sie wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts Molekulare Systemtechnik und des Swiss Nanoscience Institute in Zusammenarbeit mit der Universität Heidelberg durchgeführt [8, 12].