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News: Molekulares Kraftwerk

Die Natur zu imitieren ist ein Weg, um sie besser verstehen zu können. Forscher haben nun Membrankügelchen konstruiert, die Lichtenergie in chemische Energie umsetzen - womit sie im Reagenzglas die Photosynthese simulieren.
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Ein Kennzeichen allen Lebens liegt in der unterschiedlichen Konzentration bestimmter Schlüsselionen inner- und außerhalb der Zelle. Würde sich die Konzentration in der Zelle der Umgebung anpassen, dann hätte das den Tod der Zelle zur Folge. Die Konzentration von Calciumionen beispielsweise ist innerhalb der Zelle um Zehnerpotenzen niedriger als außerhalb.

Dieser Calciumgradient, wie das Konzentrationsgefälle auch genannt wird, ist eine ausgeklügelte Erfindung der Natur. So ausgeklügelt, dass er bei mehreren biologischen Grundprinzipien zugleich Einsatz findet: Muskelkontraktion, Sehvorgang, neuronale Signalweiterleitung  – diese und viele weitere Prozesse basieren auf einem gerichteten Calciumtransport und dem dadurch aufgebauten Ionengefälle.

Die Natur hat sich komplexe molekulare Strukturen einfallen lassen, um Ionen durch die Membran zu pumpen, sodass der Konzentrationsgradient aufrecht erhalten bleiben kann. Dass sich derart komplexe Mechanismen auch im Reagenzglas nachbauen lassen, haben nun Chemiker um Devens Gust von der Arizona State University nachgewiesen. Sie stellten Liposomen, also von Membranen umgebene Vesikel, her, die in ihren physikochemischen Eigenschaften einfachen Zellen ähneln. In die künstliche Phospholipidmembran integrierten die Forscher ein "Reaktionszentrum"-Molekül, das die gleiche Funktion wie das Blattgrün in Pflanzen hatte: Es fing Lichtenergie auf, um sie in chemische Energie umzuwandeln.

Dieses Reaktionszentrum verbanden die Forscher mit einer ebenso effizienten wie einfachen Pumpvorrichtung. Grundbaustein dieser Pumpe waren in die Membran integrierte Hydrochinon-Moleküle, die an der Liposomaußenseite Calciumionen banden. Der entstehende Komplex durchwanderte die Membran und gab, angestoßen von dem lichtempfindlichen Reaktionszentrum, Calciumionen in das Innere der künstlichen Zelle ab. Dieser Vorgang wiederholte sich bei dauerhafter Bestrahlung, sodass sich im Innern der Zelle immer mehr Calciumionen ansammelten.

Durch das Zusammenspiel von Phospholipidmembran, lichtabsobierendem Reaktionszentrum und Ionenpumpe konnten die Forscher den Prozess simulieren, der den grünen Pflanzen das Leben ermöglicht: die Photosynthese. Denn auch hier wird Lichtenergie genutzt, um ein Konzentrationsgefälle geladener Teilchen aufzubauen. In Analogie zur Elektrizität formuliert: Das Ionengefälle ist vergleichbar mit dem Spannungsgefälle in einem Kabel, das sich zum Betrieb eines Motors nutzen lässt.

Den Vorwurf, anwendungsferne Grundlagenforschung zu betreiben, müssen sich die Forscher nicht gefallen lassen. Denn das Wort "Photo-Synthese" impliziert ein mögliches Einsatzfeld dieses molekularen Kraftwerks: "Eine Idee ist, Liposomen als Nanofabrik heranzuziehen", erklärte Gust. "Man könnte Moleküle in das Innere der Liposomen einführen, dort chemisch umsetzen, um die Reaktionsprodukte anschließend herauszufischen. Zum Transport der Chemikalien in das Innere der Liposomen und von dort wieder heraus ließen sich prinzipiell ähnliche Pumpen einsetzen – mit dem Licht als kontrollierenden Faktor."

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