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Nanoporen: Massentransport auf Subnanometerebene

Höchst wählerische Nanokanäle

Die Poren von Zellmembranen transportieren Ionen und Moleküle massenhaft und hochselektiv von außen nach innen und umgekehrt – sie künstlich nachzubilden war daher alles andere als einfach. Einer Forschergruppe um Bing Gong von der State University of New York in Buffalo gelang es trotzdem: Ihre künstlichen Nanoporen arbeiten wie das natürliche Vorbild; sie lassen Kalium und Wasser passieren und blockieren dagegen Lithium und Natrium. Die Durchlässigkeit für Protonen ist hundertmal größer als in biologischen Zellkanälen, jene für Kalium zwar 5000mal schwächer, aber mit bisherigen Ansätzen noch nie erreicht.

Nanokanäle mit bisher unerreicht kleinen Durchmessern | Atomkraftmikroskop-Aufnahme der aus ringförmigen Makromolekülen aufgebauten Ionenkanäle, die sich in Strängen parallel zueinander anordnen. Die kleiner als einen Nanometer dicken Röhren sind extrem wählerisch und lassen nur bestimmte Ionen und Moleküle passieren.

Der Aufbau geschieht einfach und schnell: Die Forscher verwendeten organische Moleküle, die sich mit Energiegewinn selbst organisieren und dabei höchst regelmäßig anordnen. Die starren Reifen aus sechs kreisförmig verbundenen Aromaten stapeln sich dabei übereinander und bilden Kanäle mit einem Durchmesser von 0,9 Nanometer. Dabei werden die einzelnen aromatischen Ringe von Wasserstoffbrückenbindungen und Stapelwechselwirkungen (pi-pi-Wechselwirkung) zusammengehalten. Mehrere dieser einzelnen Röhrchen sind parallel nebeneinander zu mikrometerlangen, membrandurchspannenden Fasern angeordnet. Die hydrophoben Seitenketten der übereinander angeordneten Ringe verankern sie in den Lipidmembranen und öffnen dabei einen transmembranen Kanal im Zentrum des Stapels.

Gong und seine Kollegen hoffen auf das medizinische Potential ihrer Entwicklung: Es könnten Krankheiten bekämpft werden, indem der Ionentransport in die und aus den kranken Zellen über die künstlichen Kanäle manipuliert wird. Derzeit noch ungelöst bleibt das Problem, die Bausteine für die Nanokanäle an Ort und Stelle zu bringen. Auch technische Anwendungen sind denkbar. Das Nanoröhrchensystem kann Ionen und Molekülen aus Lösungen auf molekularer Ebene trennen: So könnten geringe Mengen von Medikamentenrückständen aus Trinkwasser gefiltert werden. Darüber hinaus sind die Nanoporen – entsprechend funktionalisiert und mit einem Marker ausgestattet – womöglich auch als Sensor für bestimmte kleine Moleküle einsetzbar. Herkömmliche, durch Elektronenstrahl-Lithographie oder Ionenätzen hergestellte Poren sind deutlich größer: Sie erreichen nur Durchmesser von minimal 5 bis 10 Nanometern.

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