Nanobiotechnologie

von Harald Zähringer (Laborjournal-Ausgabe 02, 2001)

K. Eric Drexler, einer der Vordenker der Nanowissenschaften, hat mit seiner Wortschöpfung Nanotechnologie, die er 1986 einführte, vornehm untertrieben. Im Reich der Nanotechniker, der wenige Milliardstel Meter (nm) großen Nanowelt, würde Nanos, der Zwerg, umhertrampeln wie einst Gulliver im Land der Winzlinge. Beträte er das 100-30Onm weite Tor zu dieser Welt, nähme er Phänomene wahr, die wir in unserer vertrauten makroskopischen Umgebung nicht erfahren. Regieren im Nanokosmos doch quantenmechanische Effekte und Grenzflächenkräfte das physikalische Geschehen.

In einem wegweisenden Vortrag deutete Richard Feynmann, Quantenphysiker und Visionär, bereits 1959 an, was der Mitbegründer der Quantenmechanik, Erwin Schrödinger, noch für unmöglich hielt. Aus seiner Sicht, so Feynman damals, sprächen die Gesetze der Physik nicht dagegen, Materie Atom für Atom zu bewegen - allein die schiere Größe der Physiker hindere sie noch daran, dies in der Praxis zu tun.

Zwei Jahrzehnte später erfanden Binnig und Rohrer mit dem Rastertunnelmikroskop (STM), und kurz darauf dem Rasterkraftmikroskop (AFM), die notwendigen "Nanofühler", um Feynmans Gedanken zu realisieren.

Die ST-Mikroskopie basiert auf einer quantenmechanischen Eigenheit. Eine extrem dünne Silizium- oder Siliziumnitrid-Spitze, die das Ende eines biegsamen Auslegers ziert, wird im Abstand weniger Nanometer rasterförmig über die Probenoberfläche geführt. Liegt eine Spannung an, so können einige Elektronen den zwischen Spitze und Oberfläche gelegenen Potenzialwall durchtunneln. Dieser Tunnelstrom wird zur Darstellung der Probentopographie genutzt.

Rasterkraftmikroskope und die daraus hervorgegangenen Rasterprobenmikroskope (SPM) messen anziehende und abstoßende Kräfte zwischen Auslegerspitze und Oberfläche und setzen diese für die Bildgebung ein. Mit Hilfe von SP-Mikroskopen wurde Feynmans Vision wahr: Nanotechnologen verschieben mittlerweile routiniert Atome und setzen sie an gewünschte Positionen.

Nachdem sich bisher Physiker und Materialwissenschaftler nanotechnologischer Methoden bedienten, haben jetzt auch Biologen diese entdeckt. Andreas Engel untersucht am Basler Biozentrum Membranproteine etwa Aquaporine, mit dem AF-Mikroskop. Zunächst erzeugt er zweidimensionale Protein-Kristalle, deren Struktur er mit Hilfe des Kryo-Elektronenmikroskops aufklärt. Mit dem AF-Mikroskop bildet er die Membranstruktur ab und beobachtet gleichzeitig die Bewegungen der eingebetteten Kanalproteine. Engel kann so Konformationsänderungen der Proteine verfolgen, ohne die Membran zu zerstören.


Nanohubschrauber

K. Eric Drexler hatte schon 1981 vorgeschlagen, biologische Systeme als Vorlagen für künstliche molekulare Maschinen zu verwenden. Carlo Montemagno vom Nanobiotechnology Center der Cornell Universität setzte diese Idee Ende letzten Jahres in die Tat um. Er konstruierte mit seinen Leuten einen Nanohelikopter (Science 290, S.1555-8).

Herzstück und Motor dieser ersten biomolekularen Maschine ist die aus zwei Einheiten aufgebaute F₀F₁-ATPase. Fließen Protonen durch den membranständigen F₀-Komplex, dreht sich die stabförmige γ-Untereinheit im Inneren des F₁-Hexamers im Uhrzeigersinn - ATP wird synthetisiert. Hydrolysiert die ATPase ATP, dreht sich diese biologische Antriebswelle in entgegengesetzter Richtung.

Montemagnos Mannschaft präparierte 75Onm lange, 150nm breite Nickelpropeller so, dass sie sich als Rotorblätter an die Spitze der gamma-Untereinheit anlagerten. Anschließend platzierten sie diesen Rotorblock auf 20Onm hohe, 8Onm dicke Nickelträger und tauchten ihn in eine ATP Lösung. Die Rotorblätter des Protein-Metall Hybriden rotierten daraufhin acht Mal in der Sekunde, bis der Motor nach zweieinhalb Stunden stotterte und dann stehen blieb.


Nanochips

Drexler schweben noch weit komplexere Nanogeräte vor. So könnte er sich durchaus einen DNA-Lesekopf vorstellen. Vergleichbar in Größe (6nm) und Durchsatz (10 bs^-1) mit bakteriellen DNA-Polymerasen, aber an eine Festphase gebunden und mit Mikroelektronik verdrahtet, könnte dieser die DNA-Sequenzierung beschleunigen.

Wie nah Nanobiotechnologen diesen Überlegungen sind, zeigt ein Blick in die IBM-Labors in Zürich. Jim Gimzewski entwickelt hier Nanochips, mit deren Hilfe er DNA-Moleküle analysiert. Hierzu heftet er Oligonukleotide an goldbeschichtete Siliziumausleger. Hybridisieren komplementäre DNA Stränge an die Oligos, verbiegen sich die Ausleger. Das damit verbundene Signal ist so empfindlich, dass Gimzewskis Nanochip-Sequenzen auseinander halten kann, die sich nur in einer Base unterscheiden (Science 288 S. 316).

Nadrian Seeman von der New York University will mit DNA-Molekülen ein grundlegendes Problem der Nanotechnologie lösen. Um komplexe Nanostrukturen aus einzelnen Bausteinen aufzubauen, müssen sich diese von selbst zu geordneten Aggregaten organisieren. Das Gerüst für die Selbstorganisation könnten, so Seeman, DNA-Netzwerke bilden.

Um diese herzustellen hat er kreuzförmige DNA Moleküle konstruiert, die im Gegensatz zu Holliday-Strukturen, feste Überkreuzungsstellen besitzen. In die Arme der DNA-Kreuze führte er klebrige Enden ein, so dass sie zwei- oder dreidimensionale Gitter ausbilden. Die entstehenden DNA-Nanokäfige könnten, so die Idee Seemans, Gastmoleküle aufnehmen oder als ordnende Einheiten für Nanobausteine dienen.

Letzte Änderungen: 20.10.2004