Bakterien treiben Nanomotor

Wissenschaftler der Universität von Utah wollen Bakterien als "Zugpferde" im Antrieb von Nanomaschinen nutzen. In einem Vortrag für die Foresight Conference zu neuen Entwicklungen in der Nanotechnologie skizzierten Eldrid Sequeira und Alicja Copik die Idee: Sie stellen sich vor, Bakterien wie E. coli oder S. typhimurium an einer winzigen Scheibe anzubringen, die sich frei um einen Schaft bewegen kann: "Die Bakterien werden aufgrund ihres mobilen Verhaltens schwimmen und die Scheibe ziehen oder anschieben."

Obwohl Ideen, die Techno-Visionäre wie Erik Drexler und Ralph Merkle seit gut zehn Jahren propagieren, eher wie Sciencefiction klingen und sehr umstritten sind, wird seit einigen Jahren tatsächlich an der Realisierung von Nanomotoren gearbeitet. Mitte April unterzeichnete die NASA beispielsweise ein gemeinsames Forschungsabkommen mit dem Nationalen US-Krebsforschungsinstituts NCI, für das die Raumfahrtagentur mit einem fantastischen Video warb: In Zukunft, so die NASA-Forscher, könnten die biologischen Funktionen des Menschen durch Messsysteme in Pillengroße überwacht werden, die wie U-Boote durch den menschlichen Körper patroullieren.

Während einige Forschungsgruppen an der Konstruktion komplexer Nanomaschinen aus einzelnen Molekülen arbeiten, versuchen andere, Versatzstücke aus der Natur zu verwenden. Das Prinzip, das dabei zur Anwendung kommt, ist eigentlich recht einfach: Komplexe biochemische Riesenmoleküle unterliegen bei chemischen Reaktionen drastischen Formänderungen. Wenn beispielsweise bei der Reaktion eines Enzyms einige Wasserstoffbrücken wegfallen, kann das Molekül aufschnappen wie eine Sprungfeder.

Auch molekulare Propeller hat die Natur im Prinzip schon zur Verfügung gestellt. So genannte ATPase-Moleküle, das sind ringförmige Eiweißstrukturen, wandeln ATP zu ADP und gewinnen so Energie für die biochemischen Prozesse in der Zelle. Bei der Reaktion kreiseln die Moleküle um eine Achse, die in der Zellmembran steckt – der biochemische Mechanismus dieser Bewegung ist nach wie vor nicht entschlüsselt.

Die Gruppe um Carlo Montemagno an der Universität Cornell hat im Herbst 1999 erste erfolgreiche Versuche mit solchen molekularen Motoren durchgeführt. Zuerst isolierten sie das Erbgut eines Bakteriums, modifizierten den genetischen Bauplan und isolierten die Propellermoleküle. Anschließend befestigten die Forscher die modifizierten ATPase-Moleküle auf einem mikrostrukturierten metallischen Substrat und versorgten die Moleküle mit gelöstem ATP: Die Molekularmotoren kreiselten 40 Minuten lang mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von etwa drei Umdrehungen pro Sekunde. Wie sich die Moleküle allerdings unter Belastung verhalten und wie die "Abfallprodukte" der chemischen Reaktionen sich auf die Propellermoleküle auswirken, muss noch erforscht werden.

Mehr dazu in Telepolis: Nanomaschinen mit Biomotoren (wst)