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Bionanoelektronik: Zellmembranproteine an Nanodrähte gekoppelt

Nanodraht mit Doppellipidschicht
Forscher vom kalifornischen Lawrence Livermore National Laboratory haben eine nanometergroße Schnittstelle entwickelt, durch die elektronische Systeme mit biologischen kommunizieren sollen. Die Wissenschaftler um Aleksandr Noy ummantelten dazu leitfähige Nanodrähte aus Silizium mit einer Membran, in die sie anschließend Ionenkanäle einbetteten. Mit solchen Membranporen tauschen normalerweise lebende Zellen chemische Signale aus, etwa indem sie den Ein- oder Ausstrom geladener Atome regeln.

Nanodraht mit Membran und Kanälen | In dieser zeichnerischen Darstellung wird deutlich, wie die Forscher einen Siliziumnanodraht mit einer doppelten Lipidschicht umgaben, die sich in Form eines Omegas an den Draht schmiegt. An verschiedenen Stellen sind spannungsgesteuerte Alamethicin-Kanäle eingefügt.
Mit Hilfe der Ionenkanäle konnten die Wissenschaftler die Hülle um den Nanodraht auf Kommando durchlässig machen beziehungsweise wieder verschließen. Standen die Kanäle offen, diffundierten H+-Ionen aus der Umgebung zum Draht, dessen Leitfähigkeit sich daraufhin erhöhte. Eine solche Änderung des Stromflusses könnte beispielsweise einem Computerchip ein Signal geben.

Entscheidend war, dass sich das Öffnen der Kanäle sowohl chemisch als auch elektrisch kontrollieren ließ: Einer der beiden getesteten Ionenkanäle (Gramicidin A) verschloss sich bei Anwesenheit von Kalziumionen, der andere (Alamethicin) reagierte auf elektrische Spannungsunterschiede zwischen Innen- und Außenseite der Membran.

Nach Angaben der Wissenschaftler dürften sich praktisch alle in der Natur vorkommenden Porenproteine in die künstliche Membran einbauen lassen, da diese – wie ihr biologisches Vorbild – aus Lipiden besteht, die sich zu einer Doppelschicht aneinanderlagern. Das Verfahren könnte es beispielsweise eines Tages erlauben, dass hoch entwickelte chemische Sensoren nach einem ähnlichen Prinzip und in vergleichbaren Größenordnungen arbeiten wie in lebenden Organismen, ihre Messwerte aber mit herkömmlicher Elektronik weiterverarbeiten. (jd)

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  • Quellen
Misra, N. et al.: Bioelectronic silicon nanowire device using functional membrane proteins. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073/pnas.0904850106, 2009.

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