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Nanotechnologie: Lichtpeitsche für Nano-Zugtiere

Nutztier und Nutzpflanzen befördern die menschliche kulturelle Evolution seit Urzeiten. Das soll nun so weiter gehen: Jüngster Nachfolger von Pferd, Schaf, Gerste und Mais soll nun die Grünalge werden. Sie steht mehr in der Tradition von Zugochse als von Reispflanze.
100 Mikrometer in der Sekunde, das klingt für eine Zugmaschine nicht sehr schnell. Und eine maximale Zuladung von "wenigen Molekülen" ist auch nicht gerade der Traum jedes Großspediteurs. Andererseits muss dieser ja den Zielort seines Transportgutes nicht auf den Mikrometer genau ansteuern – und dafür wiederum sind die von Douglas Weibel und seinen Kollegen der Harvard-Universität gezüchteten Mini-Zugmaschinen wie geschaffen. Die Forscher hatten sich eines Problems angenommen, das in der Nanoingenieurswelt für Kopfzerbrechen sorgt: Wie transportiert man als Miniweltenbauer Materialien oder Verbrauchsgüter "just in time" und in adäquat winzigen Mengen von A nach B?

Im Prinzip sind die Anforderungen doch eigentlich überschaubar: Benötigt wird ein Navigationssystem inklusive Leitsignal, damit alles auch dorthin kommt, wo es hin soll. Zudem natürlich ein starker Motor. Und eine Ladefläche – zumindest aber eine starke Anhängerkupplung, mit der Motor und Last verknüpft werden können. Die sollte stabil sein, sich allerdings auch wieder leicht lösen lassen. Ein tiefer Griff in den Fundus biologischer Maschinenteile müsste da doch ausreichend Spielmaterial liefern: Hier finden sich nicht nur der Motor (als Geißeln schwimmender Bakterien), sondern auch Sensoren zur Wegbestimmung (Chemorezeptoren in Zellwänden) oder Gleiskörper für zelluläre Schwertransporte (etwa die Mikrotubuli, entlang derer sich transportgutgefüllte Vesikel durch lang gestreckte Zellkörper hangeln). Fehlt eigentlich nur noch eines: All diese Bauteile müssen sinnvoll kombiniert und funktionsfähig zusammengebastelt werden. Daran allerdings scheiterten die hochfliegenden Miniaturisierungspläne moderner Möchtegern-Nanospediteure bislang regelmäßig.

Weibels Team umging die Schwierigkeit des allzu fitzeligen Zusammenbaus nun auf eigene Art und Weise: Statt einen Traktor aus Einzelteilen zusammenzubauen, rekrutierten sie die bereits natürlich existierende Kombinationen aus Sensoren, Zellwand, Geißeln und Zellkörper – und begannen damit, lebende Einzeller zu beladbaren Zugochsen umzufunktionieren. Mit einigem Erfolg, wie sie nun stolz vermelden können.

Der Geißelschlag einer Grünalge | Der Geißelschlag einer Chlamydomonas-Grünalge. Die zwei Flagellen des Einzellers bewegen sich charakteristisch vom Anfangszustand (1) bis zum Endzustand (6), und schlagen dann wieder zurück (8 bis 11).
Als lebendes Chassis für ihre biologische Zugmaschine diente den Wissenschaftlern die verbreitete Grünalge Chlamydomonas reinhardtii – ein unscheinbarer, zweifach begeißelter Süßwasserbewohner, der seinen Lebensunterhalt mit Fotosynthese fristet. Schnell und kräftig genug, ein Paar zusätzliche Massen zu bewegen, ist der im Wasser umhergeißelnde Chlorophyt sicherlich. Wie aber zwingt man ihn unters Zugochsen-Joch?

Die Forscher machten sich dazu die chemischen Eigenschaften der Zellwand von Chlamydomonas zu Nutze: Sie enthält mehrere Schichten von Glykopeptiden, in denen die sonst eher seltene Aminosäure 4-Hydroxyprolin häufig vorkommt. Diese recht eigene Mischung sorgt offenbar für den Zusammenhalt der Zellwandlagen durch eine Kombination aus kovalenten, also fester chemischer Bindungen – sowie insbesondere durch nicht kovalenter Bindungen, die wohl der physikalischen Ähnlichkeiten der einzelnen Molekülketten geschuldet ist.

Eins war nach ersten Experimenten jedenfalls schnell klar: Lange, künstlich hergestellte Ketten mit großen Anteilen an 4-Hydroyprolin kleben rasch und fest mit der Zellwand der Grünalge zusammen. Hängt man ans andere Ende eines derartigen Eiweiß-Schleppseilsankers dann eine Last, so wird diese von den umherschwimmenden Einzellern ohne Probleme mitgeschleift. Auch große auf diese Weise angehängte Transportlasten gehen den Einzellern offenbar leicht von den Geißeln, wie die Forscher ermittelten: Die selbst nur zehn Mikrometer große Zelle schleppt Güter von bis zu sechs Mikrometern, ohne dabei an Geschwindigkeit nennenswert einzubüßen.

Damit sie den Transport nicht ziellos ausführt, nutzten die Wissenschaftler die für fotosynthetisches Algenleben lebenswichtige Fähigkeit zur Orientierung zum Licht: Stets folgten die Algen einer punktförmigen Lichtquelle wie dem Leuchtfeuer einer Landebahn. Per Lichtsignal ans Ziel geleitete Algentransporter sollten nun, letzte Herausforderung an die Technik, ihre Güter auch auf Knopfdruck von der Lore kippen lassen. Zu diesem Zweck führten die Wissenschaftlern eine lichtsensitive Anhängerkupplung in das mit Hydroyxprolinankern versehene Nano-Schleppseil ein: eine eigens zwischen Zellwand-Anker und Last eingeführte chemische Bindung, die bei Bestrahlung mit UV-Licht zerstört wird.

Damit sind nun alle Anforderungen an ein praktikables Mini-Speditionsmodell erfüllt, vermelden die Nanoforscher. Auch wiederverwertbar sind die Chlorophyta-Zugtiere, Entschuldigung, -pflanzen: Per UV-Licht lastbefreite Algen können durch Lichtbefehle wieder zum Ausgangspunkt zurückbeordert werden um neue Lasten aufnehmen. Und das alles funktioniert, ohne tief in die Geheimnisse der Nanokonstruktion molekularer Maschinen einzusteigen – ein Riesenvorteil, meinen Weigel und Kollegen. Bleibt nur noch die Aufgabe, wirkliche Aufgaben für das begeißelte Zuggrünzeug zu finden. Das sollte, angesichts des zu erwartenden anhaltenenden Booms der Nanoforschung, aber eine wahrlich nur winzige Schwierigkeit sein.

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