Wie die Zwerge vorwärtskommen

Ihren Anfang nahm die Entwicklung schon vor Jahrzehnten. Der US-Physiker Richard Feynman hielt 1959 einen legendären Vortrag und gab darin die Stoßrichtung vor. In „There’s plenty of Room at the Bottom“ (etwa: Unten gibt’s noch viel Platz) prophezeite der spätere Nobelpreisträger eine revolutionäre Technologie auf der Skala von Mikro- und Nanometern. Feynman hatte vor allem die Medizin im Blick: „Swallow your doctor!“ (Schlucke deinen Arzt!) empfahl er damals in Hinblick auf die Nanowelt. Nach „unten“ zu gelangen, erfordert auch Jahrzehnte später noch ein ordentliches Stück Arbeit.

Schwärme von Miniaturgeräten bewegen sich bereits testweise durch Körperflüssigkeiten, transportieren Medikamente zu Infektionsherden, vernichten Viren oder bohren sich in Krebszellen. Medizinische Nanoroboter sollen Diabetes messen, Kalkablagerungen von Blutgefäßwänden abtragen oder Nierensteine zerlegen. In Labor haben Forscher längst solche mit dem Auge kaum mehr erkennbaren Roboter hergestellt, die auf Wasser laufen oder kleinste Objekte transportieren können. Forscher bauen molekulare Schrauben, synthetisieren Behälter aus dem Erbmolekül DNA, in die sich Medikamente einpacken oder mit denen sich gar bösartige Viren einfangen lassen. In DNA-Molekülen lassen sich auch große Datenmengen auf kleinstem Raum speichern.

2016 ging der Nobelpreis für Chemie an drei Forscher, die molekulare Maschinen konstruiert hatten. Das waren Pionierleistungen, die demonstrierten, wie man die Welt, Feynman lässt grüßen, im Kleinsten erobern kann. Im Mikrokosmos der Moleküle herrschen andere Gesetze als in unserer Alltagswelt. Quantenchemie und Molekülphysik müssen von Nano-Forschern gezielt für künstliche Zwecke getrimmt werden. Oft liefert die Natur das Vorbild, denn sie übt dieses Geschäft schon seit Jahrmilliarden aus. Bakterien und Immunzellen machen vor, wie man mit wenig Energie höchste Effizienz erreichen kann. Aber längst sind Nanotechnologen dabei, die Natur zu übertreffen.

„Wir bauen Mikro-Schwimmer und Mikropropeller, um zu verstehen, wie sich so winzige Objekte autonom bewegen können“, erklärt Peer Fischer. Der Wissenschaftler, Leiter der Forschungsgruppe für Mikro-, Nano- und molekulare Systeme am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und Professor an der Universität Stuttgart, ist eher in der Mikrowelt zu Hause, nicht in der nur ein Tausendstel so großen Nanowelt. Fischers Schöpfungen sind ungefähr einen Mikrometer lang – das ist nur ein 50stel des Durchmessers eines menschlichen Haars.

Bislang mangele es den Mikrorobotern an eigenen Antrieben, moniert der Physiker. Die Geräte müssten vorläufig von außen angetrieben und gelenkt werden. Der Grund dafür liegt unter anderem in der merkwürdigen Physik des Mikrokosmos, wo Luft oder Wasser für winzige Objekte zunehmend klebriger und zäher werden. Eine Mikromuschel, wie sie Fischer schon früher gebaut hat , kann zwar ihre beiden Flügel öffnen und schließen, eine sogenannte „reziproke Bewegung“. Doch wegen der hohen Zähigkeit kommt sie nicht vom Fleck – jedenfalls nicht im Wasser. „Unsere Mikromuschel ist ja nur wenige Mal so groß, wie ein menschliches Haar dick ist“, erläutert der Wissenschaftler. „Für sie wirkt Wasser so, als würden wir in Honig oder flüssigem Teer schwimmen.“

Unterwegs im Augapfel

Zum Glück gibt es Flüssigkeiten, die sich anders verhalten als Wasser – Körperflüssigkeiten. Bei denen hängt die Zähigkeit von der Geschwindigkeit ab, mit der sich ein Objekt durch es hindurchbewegt. Blut zum Beispiel, oder Hyaluronsäure, das Schmiermittel in Gelenkflüssigkeiten, aber auch im Glaskörper des Auges. Je schneller die Bewegung, desto mehr verdünnt sich die Flüssigkeit. Diese kuriose Eigenschaft ermöglicht es, dass sich auch die künstlichen Mikroschwimmer tatsächlich von der Stelle bewegen können.

Ob Eidechsen, Insekten oder Bakterien – jedes Lebewesen hat in seiner Welt das Bewegungsproblem irgendwie gelöst. „Bei den kleinsten Lebewesen hat die Natur dafür zwei Methoden entwickelt“, berichtet Peer Fischer. „Das ist einmal der Geißelschlag, eine nicht reziproke, also unsymmetrische Bewegung.“ Das andere biologische Beispiel sei die Schraube. Geißelfortsätze, Flagellen genannt, treiben Bakterien an wie ein Propeller, der in der Zellwand über einen molekularen Motor verankert ist.

Ein Antrieb aus Flagellen misst gerade mal 50 Nanometer, weniger als ein zehntausendstel Millimeter, treibt die Geißel aber bestens an. „So etwas können wir bisher nicht“, bewundert Fischer das biologische Vorbild. Auch lasse sich die Energie für den Antrieb nicht auf so winzige Skalen verdichten. Künstliche Nanobatterien gebe es nicht. Der kleinste Motor, den man heute kaufen kann, sei knapp einen Millimeter groß – und durch ein Kabel mit der Außenwelt verbunden. „Wir wollen aber kabellose, autonome Maschinen bauen, die zudem etwas Nützliches tun.“

Gedrängel im Polymergestrüpp

Künstliche Nanopropeller sind eine Spezialität der Forscher. In biologischen Flüssigkeiten wie der Hyaluronsäure, die in den gallertartigen Gelenk- oder Augenflüssigkeiten vorkommt, sieht die Welt anders aus. Miteinander verflochtene Molekülketten bilden bis zu 100 Nanometer große Netzwerke. Fischers künstliche Propeller müssen klein genug sein, um sich durch dieses Polymergestrüpp durchzwängen zu können, gerade mal 500 Nanometer breit und bis zu 1.500 Nanometer lang. Für die Biokompatibilät der Propeller sorgt eine Legierung aus Eisen und Platin. An solchen Eisen-Platin-Drehflüglern ließe sich auch genetisches Material befestigen und zu bestimmten Zellen transportieren.

Für die passende Schlüpfrigkeit borgten sich die Propellerforscher einen Trick der Natur: eine zweilagige Antihaftbeschichtung. „Wir trugen eine flüssige Schicht auf die Mikropropeller auf, wie sie bei der fleischfressenden Kannenpflanze (Nepenthes) vorkommt“, erklärt Mitforscher Zhiguang Wu. „Die ist so glatt wie Teflon in der Bratpfanne.“ Das sei ideal, um die gallertartige Substanz im Glaskörper des Auges zu durchdringen, ohne dabei das empfindliche Gewebe um sie herum zu beschädigen. Für ihre Tests injizierten die Forscher Zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper von präparierten Tieraugen. Mit umliegenden Magnetspulen, die die kleinen Schrauben drehen und damit nach vorne bewegen, drangen diese dann zielgerichtet bis zur Netzhaut vor. „Die etwa einen Zentimeter lange Strecke durchs Auge schaffen die Mikropropeller in rund einer halben Stunde“, erklärt Fischer. Im Mikrokosmos eines Auges ist das ein Affentempo.

Die Forscher beherrschen die Technik inzwischen: Sie können die schlüpfrigen Mikropropeller ins Gewebe injizieren, sie magnetisch steuern und die Bewegung mit optischen Verfahren verfolgen. Mikroobjekte könnten rasch zur Makula eingeschleust werden: ein vielversprechender Weg für Anwendungen in der Augenmedizin. Aber die Aussichten reichen noch darüber hinaus. Ziel ist es, die Mikropropeller als Transportvehikel für Medikamente einzusetzen, als Werkzeuge für die minimalinvasive Behandlung von Krankheiten, bei denen die Problemzone schwer zugänglich und von dichtem Gewebe umgeben ist.

Schlachtschiffe in der Nanowelt

Fragt man Hendrik Dietz nach solchen Mikrogeräten, dann verweist er auf die Unterschiede – das sei eine völlig andere Welt: „Im Vergleich zu dem, was wir hier machen, sind das Schlachtschiffe.“ Der Biophysiker von der Technischen Universität in München ist eben in der um Größenordnungen kleineren Nanowelt zuhause. Sein Ziel sei „die ultimative Miniaturisierung autonomer Molekülmaschinen“. Molekulare Roboter würden dann Viren ähneln, meint Dietz – sowohl in ihrer Größe als auch in ihrer Funktionsweise. „Die kann man in gewisser Weise auch als natürlich agierende Roboter ansehen.“ Dietz beschäftigt sich vor allem mit dem zentralen Molekül des Lebens, der DNA. Das Erbmolekül, das in jeder Körperzelle steckt, ist nur rund ein Tausendstel so groß wie Peer Fischers Mikropropeller.

Als verknäulter Doppelhelix-Strang liegt das DNA-Molekül im Kern jeder Zelle vor. Auseinandergezogen ist die „Desoxyribonukleinsäure“ über einen Meter lang. Nano-Robotiker interessieren jedoch weniger die darin gespeicherten Erbinformationen, sondern ihre Qualitäten als Nanomaterial – DNA ist offenbar einfach ein guter Werkstoff. „Das Molekül ist chemisch stabil“, erläutert Hendrik Dietz. „Man kann es kaufen und im Kühlschrank ein Jahr aufheben.“ Die DNA diene vor allem als Gerüst, um daraus vielfältige Nano-Objekte zu konstruieren. Das Molekül sei superflexibel und lasse sich gut dehnen. Wenn man etwas daran ziehe, verdrehe es sich sogar noch mehr als im natürlichen Zustand. Erst bei stärkerer Zugkraft könne man den DNA-Strang völlig entdrillen. „Das widerspricht jeder Intuition“, meint Dietz.

Um aus solchem Stoff Nanomaschinen zu basteln, müssen die Forscher die selbstorganisierenden Prozesse der Molekülwelt nutzen. „Der Selbstzusammenbau aus DNA-Molekülen liefert uns unerwartete technologische Anwendungen. Damit konnten wir bereits molekulare Käfige bauen, mit denen wir sogar Viren einfangen können.“ Fachleute sprechen nach der japanischen Kunst des Papierfaltens von „DNA-Origami“. Pioniere dieser Technik waren in den 1980er-Jahren der Biochemiker Nadrian Seeman und zwei Jahrzehnte später der Informatiker Paul Rothemund vom California Institute of Technology. 2006 verblüffte der Nanotechnologe die Welt mit molekularen Smileys. Sie waren der Beginn der zunächst zweidimensionalen Origami-Technik mit Molekülen.

Erbmoleküle als Ziegelsteine

Kurze Zeit danach begann Hendrik Dietz gemeinsam mit Kollegen in Boston mit diesem DNA-Ansatz bereits dreidimensionale Gebilde zu konstruieren. Später in München setzte der Physiker diese Arbeit fort mit beweglichen Gebilden, die zum Teil aussahen wie Strichmännchen mit steuerbaren Armen. Heute baut Dietz molekulare Hohlkörper. „Wir arbeiten mit 1.000 bis 10.000 solcher DNA-Stränge, die wir miteinander zu Käfigen verknüpfen“, erklärt der Wissenschaftler. Die Moleküle bilden dabei wie Ziegelsteine das Baumaterial, mit denen sich Molekülkäfige für den Transport von Wirkstoffen bauen lassen – erste Schritte hin zu einer Nanomedizin.

Die molekularen Käfige sind zwar winzig, aber doch so groß, dass sie fast alle gängigen Viren einschließen können. „Wir nennen es eine Virus-Venusfalle“, sagt Dietz heiter. Die DNA-Gefäße sind geräumig genug, um mehrere der Modellviren zugleich aufzunehmen. Innen werden die hohlen Schalen mit Antikörpern gespickt. Die Schalen deaktivieren die Viren und verhindern so, dass sie andere Zellen angreifen. „Damit können wir alle Viren einfangen und ausschalten. Selbst wenn wir in die Schalen nur vier Antikörper einbauen, blockieren sie die Viren zu 80 Prozent“, erklärt der Nanoforscher. „Das ist eine flexible Plattform, ob beim Bekämpfen von Virenerkrankungen, in der Krebs-Immuntherapie oder bei Impfstoffen.“

Ein Mangel an Motoren

Wie den Mikrotechnologen fehlt auch den Nanoforschern bislang ein echter Motor. Doch seit Juli 2022 gibt es vielleicht eine neue Möglichkeit: einen Nanomotor, der zwar auch keine eigene Batterie hat, aber seine Energie aus seiner Umgebung bezieht. Hendrik Dietz und sein Team präsentierten eine Novität, die das Fachjournal „Nature“ als „Meilenstein“ einstufte. Wie schon für ihre Viren-Käfige hatten die Münchner Forscher dafür ausschließlich DNA-Bausteine benutzt, die ihre Energie in einer Feder speichern. Ähnlich wie die Feder einer Uhr windet sich die Molekülfeder auf, wenn sie mit den umherwirbelnden Molekülen zusammenstößt.

Was für Physiker nur eine zufällige „Brownsche Molekularbewegung“ ist, entpuppt sich hier als Quelle eines Nanomotors. Es sei wohl nicht der erste künstliche DNA-Motor, meint Dietz, doch es sei „sicherlich der erste, der auch mechanische Arbeit verrichten kann“. Ständig werden in Zellen biologische Maschinen durch Zufallsbewegungen des Zytoplasmas herumgestoßen. Oft geschieht das nach dem Prinzip einer Ratsche, ähnlich wie bei einem Zahnrad in einer mechanischen Uhr, die sich nur in eine Richtung drehen kann, aber nicht in die andere.

Elektrischer Strom verändert alles

Für den Ratscheneffekt bauten die Münchner Forscher Dreiecke aus DNA, aus denen je ein winziger Stab herausragte. Ohne weiteres Zutun würden die Gebilde zufällig vorwärts und rückwärts rotieren. Aber dann platzierte das Team zwei Elektroden in die Flüssigkeit und schickte einen elektrischen Strom in wechselnde Richtungen. Das verändert alles: Die Wechselspannung dreht die DNA-Dreiecke bevorzugt nur in eine Richtung.

Um Rotationsenergie zu speichern, befestigte Dietz an dem Rotor zusätzlich eine Spiralfeder aus DNA, die sich bei den Drehungen aufzieht wie in einer mechanischen Uhr. „So ein Mechanismus könnte Nanomaschinen helfen, Energie zu speichern oder bestimmte Objekte zu ziehen“, meint der Forscher.

Roboterschwärme am Gebiss

Wohin das führt, muss sich noch zeigen. Aber für den praktischen Haushalt könnten robotische Mikroschwärme noch eher zum Einsatz kommen. Das Putzen der Zähne könnten sie deutlich vereinfachen und auf einen Schlag Zahnbürsten, Dentalseide und Mundspülung ersetzen. Im Sommer 2022 präsentierte ein interdisziplinäres Team der University of Pennsylvania ein radikal neues Verfahren, um die alltägliche Zahnpflege zu erledigen. Die Methode könnte besonders Personen helfen, die mit dem täglichen komplizierten Bürsten und Säubern so ihre Probleme haben. „Die tägliche Zahnpflege kann besonders mühsam sein“, erklärt Hyun Koo, vom Center for Innovation and Precision Dentistry der Hochschule, ein Mitautor der Studie.

Die neue Vorrichtung nutzt elektromagnetisch gesteuerte Mikroroboter – Nanopartikel aus Eisenoxid, die sowohl katalytisch als auch magnetisch wirken. Per Magnetfeld steuern die Forscher die Bewegung und Anordnung der Nanopartikel. Diese formieren sich dabei zu bürstenartigen Strukturen, welche die Plaque auf den Zähnen wegfegen. Oder sie gruppieren sich zu längeren dünnen Fäden, die wie Zahnseide zwischen die Zähne schlüpfen können. Während des Bürstens können die Nanopartikel beispielsweise antibakterielle Stoffe wie Wasserstoffperoxid freisetzen, um orale Bakterien abzutöten und den Mundraum zu reinigen. Die Forscher aus Pennsylvania konnten auch zeigen, dass alle Nischen erreicht werden – selbst bei schief stehenden Zähne – und das Zahnfleisch geschont wird.

Bisherige Versuche an echten menschlichen Gebissen haben bewiesen, dass die Dental-Nanoroboter auf den Zähnen die Biofilme fast vollständig entfernen können, die typischen Ursachen von Karies. Mit Magnetfeldern lassen sich die Nanopartikel zu „Bürsten“ formen, die sich dann magnetisch hin und her bewegen lassen, ganz wie mit der Zahnseide. Das funktioniert ähnlich wie ein Roboterarm, der eine Oberfläche putzt: weitgehend automatisch. Wenn das keine Zukunft ist für strahlende Zähne.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…