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Nanotechnologie: Eine Seilwinde mit Knoten im Nanomaßstab

Nach den Bausteinen widmet sich die Wissenschaft nun den Werkzeugen ihres neuen Nano-Baukastens. Röhrchen mit winzigen Knoten, die sich selbst festziehen, wären eine elegante Variante, Mikroteilchen in flüssigen Umgebungen zu manipulieren.
Nanoknoten
Wer sich selbst die Schnürsenkel binden kann, vermag viel einfacher losgelöst von Mutter und Vater neugierig in die weite Welt zu sausen. Aber was ist das doch für eine vertrackt schwierige Sache mit den beiden Fäden. Sie müssen fest zusammenhalten, sich aber bei Bedarf ganz einfach wieder lösen lassen. Mechanik vom Feinsten eben, die ausgeklügelte Motorik verlangt.

Nicht nur wir Menschen wissen den Wert eines guten Knotens zu schätzen – die Natur ist uns mal wieder um Jahrmilliarden voraus. Offenbar nutzt sie in jeder Zelle Knoten, die sie in Proteine schlingt, und solche in RNA-Molekülen, denen daraus enzymatische Fähigkeiten erwachsen. Da können sich feinfühlige Wissenschaftler nicht lumpen lassen und eifern mit dem Elan ihrer Kleinkindzeit dem Vorbild nach: Mit optischen Pinzetten flechten sie Schleifen und Knoten in Proteinfilamente oder DNA-Fäden. Vielleicht, so ihre Hoffnung, entstehen daraus geeignete Hilfsmittel, um die winzigen Bausteine der viel gepriesenen Nanotechnik endlich in den Griff und an die gewünschten Positionen zu bekommen. Was nützen sonst all die vielen schönen Schräubchen, Motoren, Hebel und Ärmchen in Molekülgröße, wenn sie kunterbunt nebeneinander liegen? Auch hier weiß jedes Kind: Bausteine muss man zusammenfügen, damit sie ein kleines Spielzeug ergeben.

Eine Gruppe von Physikochemikern um Tatsiana Lobovkina von der Technischen Chalmer-Universität in Schweden wirft nun ein neues hoffnungsvolles Werkzeug in die Kiste. Auf einer Oberfläche fixierten die Forscher Kügelchen mit dem Durchmesser einer kleinen Zelle. Zwischen diesen spannten sie Nanoröhrchen, die mit etwa 200 Nanometern deutlich dünner als ein Bakterium, aber hunderte Mikrometer lang waren. Als Material verwendeten die Wissenschaftler doppelschichtige Lipidmembranen, wie sie auch biologische Zellen umgeben. Mit einem Fluoreszenz-Mikroskop beobachteten sie das Verhalten ihres kleinen Netzwerkes.

Nanoknoten | Ein Knotenbeispiel im Computermodell (obere Reihe) und im Fluoreszenzmikroskop (untere Reihe). Die grün dargestellten Nanoröhrchen werden an bestimmten Stellen (Pfeile in e) verschmolzen (a und e). Daraufhin nimmt das System wieder den energetisch günstigsten Zustand ein, indem die Verbindungsstellen am Röhrchen entlang wandern. Das rote Nanofädchen wird in einer Schlinge gefangen (b). Durch gezielte Schnitte (Scherensymbole in f) entsteht ein einfacher grüner Faden, der sich um den roten geknotet hat (c und g). Ziehen die Forscher mit einer Mikropipette an einem Kügelchen, verschiebt sich der Knoten wieder zum energetisch günstigsten Platz, wobei er das gefangene rote Röhrchen mitzerrt (d und h).
Es zeigte sich, dass die Nanoröhrchen mit lokalen elektrischen Feldern beeinflusst werden konnten. So ließen sich beispielsweise zwei Röhrchen miteinander verschmelzen. Stellten die Forscher das Feld wieder ab, wanderte die Verbindungsstelle auf dem Lipidfaden entlang, bis das System in einer Y-förmigen Struktur seinen energetisch stabilsten Zustand gefunden hatte. Mit kurzen elektrischen Pulsen war es möglich, gezielt Röhrchen zu zerschneiden.

Im Prinzip war das schon der ganze Trick. Durch geschickte Verschmelzungen, von selbst ablaufende Verschiebungen und gezieltes Schneiden konnte Lobovkinas Team nach Belieben Schleifen und Knoten in das Netz der Nanoröhrchen einbauen. Erstaunlich war dabei, welch große mechanische Stabilität die Lipidfäden aufwiesen. Selbst bei relativ kräfigem Zug mit einer Mikropipette rissen die Röhrchen nicht am Knoten, sondern an der Verbindungsstelle zum Kügelchen.

Was lässt sich aber anfangen mit diesen neuen Fähigkeiten? Die Physikochemiker sehen in ihren wandernden Knoten eine Art Kran oder Seilwinde im Molekülmaßstab. Mit den Lipidfäden lassen sich Schlaufen um längliche Nanostrukturen wickeln und unter Ausnutzung des systemimmanenten Strebens nach einem energetisch günstigen Zustand in nahezu beliebige Richtungen ziehen. Möglicherweise also das richtige Werkzeug, um mal eben einen Nanohebel an seine korrekte Position zu bringen. Vielleicht bringt der Trick mit der Schleife ja auch der Nanoforschung den lange erhofften Schritt in eine Welt voller neuer Abenteuer.

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