Text: Thorwald Ewe
Welches Bild tritt Ihnen vors innere Auge, wenn Sie „ Nanotechnologie” lesen? Höchstwahrscheinlich kein Kübel voll Farbe, auch kein Autoreifen oder kratzfestes Brillenglas – obwohl dies real existierende Nanotech-Anwendungen sind. Stattdessen werden Sie wohl vor sich sehen, wie ein propellergetriebenes Mini-U-Boot durch das Innere eines menschlichen Blutgefäßes fährt.
Diese stereotype Szene – mal Illustration, mal Fotomontage – schmückte viele dutzendmal Artikel und Bücher über die Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts oder flimmerte über TV-Bildschirme. Sie stellt dar, wie ein fürs bloße Auge unsichtbarer Nano-Roboter – von einem winzigen Motor angetrieben – durch den Körper patrouilliert, Blutgerinnsel und Ablagerungen an den Innenwänden der Blutgefäße zertrümmert und Tumorzellen zerstört. Eine faszinierende Idee, entstanden in den Neunzigerjahren im Kopf des kalifornischen Nanotechnologie-Visionärs Eric Drexler. Aber das ist pure Science-Fiction.
Immerhin: Viele Arbeitsgruppen weltweit, vor allem in Japan und in den USA, arbeiten heute an Nano-Motoren. Doch man muss nicht mehr nach Kalifornien fliegen, um Arbeitsgruppen auf diesem Gebiet zu besuchen – es genügt die Reise nach Baden-Württemberg: In ihrem „Kompetenznetz Nanostrukturen” fördert die Landesstiftung die Erforschung eines Nanomotors der besonderen Art – einen, den schon vor Hunderten Millionen Jahren Mutter Natur erfunden hat.
Die Projektleitung teilen sich Peter Gräber und Jürgen Heinze von der Universität Freiburg sowie Michael Börsch und Jörg Wrachtrup von der Universität Stuttgart. Der Star des gesamten Projekts ist jedoch unumstritten der Nanomotor – ein Enzym mit dem unhandlichen Namen FOF1-ATP-Synthase (im Folgenden einfach „ Synthase” genannt). Die Synthase hat Drexlers Visionen etwas Entscheidendes voraus: Sie ist real.
Enzyme bestehen aus Eiweiß und sind biologische Maschinen – Beschleuniger des gesamten Stoffwechsels lebender Zellen. Sie lösen oder knüpfen bestimmte chemische Bindungen, bauen Zell-Bestandteile auf oder ab, sorgen für Zellatmung und Energieversorgung. Letzteres ist die Hauptaufgabe der Synthase. Rund 10 Nanometer misst dieses Enzym. 100 davon, linear aneinandergereiht, würden so lang sein wie ein kleines Bakterium, und auf einen Millimeter gingen 100 000 dieser Eiweißmoleküle.
Klein, aber oho: Nichts läuft in biologischen Zellen ohne sie. Denn sie stellen das „Benzin” der Zellen her – durch Zusammenbau jeweils eines Phosphat- und eines ADP-Moleküls (Adenosin-diphosphat): Dadurch entsteht das energiereiche ATP (Adenosin-triphosphat), der Energielieferant Nummer eins für Lebensprozesse. Die Synthasen sind fest in die Membranen von Zell-Organellen, beispielsweise von Mitochondrien, eingebaut – etwa zu einem Drittel in die Membran eingetaucht, zwei Drittel liegen außerhalb „im Freien”.
„Ich bin immer wieder von Neuem fasziniert, wenn ich ihr zuschaue”, sagt Michael Börsch und weist auf die animierte Computergrafik, die auf seinem Laptop läuft. „Alle in unserer Projektgruppe freuen sich sehr, dass wir 2004 als Erste beweisen konnten, wie die Synthase sich bewegt, während sie den Energielieferanten ATP herstellt”, fügt der promovierte Chemiker hinzu.
Molekülmodelle dieses Enzyms erinnern an ein Bäumchen (siehe Grafik auf S. 34): 10 bis 14 zigarrenförmige, in einem Kreis angeordnete Untereinheiten sind quasi das Wurzelwerk in der Membran. Es ist fest verbunden mit dem Stamm, der bis ins buschige Blattwerk hochreicht. Aus der Baumkrone reicht ein kräftiger Zweig parallel zum Stamm hinunter in die Membran und verbreitert sich in Höhe der Wurzeln zu einer Art Schaufelblatt.
Und das Ganze bewegt sich. „Die Synthase ist ein Doppelmotor”, erklärt Börsch, „bestehend aus einer Turbine im membrangebundenen Teil und einem daran gekoppelten Schrittmotor.” Damit der Doppelmotor läuft, muss das Milieu auf der einen Seite der Membran etwas saurer sein – also mehr Protonen (H+) enthalten – als das Milieu auf der anderen Seite. Das „Schaufelblatt” in der Membran – es fungiert als Stator der Turbine – enthält einen durch die Membran führenden Kanal, der spezifisch nur Protonen transportiert. Sobald ein Proton diesen Kanal von einer Seite zur anderen durchläuft, geht ein Ruck durch die „Wurzeln” – den Rotor –, und dieser dreht sich um ein Zehntel des Kreisumfangs.
Zehn Protonen treiben den Rotor eine ganze Umdrehung im Kreis herum. Doch damit ist erst die Hälfte des Geschehens beschrieben. Bei jedem Drittelkreis, den die Turbine zurücklegt, dreht sie auch den zentralen Stamm in der Baumkrone um ein Drittel mit. Dabei klappt im „Laub” jedesmal eine Höhlung auf, die jeweils ein ADP- und ein Phosphat-Molekül einsaugt und als fertig montiertes ATP-Molekül ausspeit. Nach drei solchen Drittel-Schritten ist der Motor in der Baumkrone wieder in Ausgangsposition.
Die protonengetriebene ATP-Fabrik kann auch rückwärts laufen: Wird beispielsweise bei hohem ATP-Überschuss rund um die Membran kein neues Zell-Benzin synthetisiert, sondern im Gegenteil welches verbraucht, also in ADP und Phosphat gespalten, dann treibt dies sowohl den Baumkronen-Schrittmotor als auch die Wurzel-Turbine in umgekehrter Drehrichtung an. Und als Folge hiervon pumpt das Enzym Protonen in Gegenrichtung – aus dem außerhalb der Membran gelegenen Raum zur anderen Seite.
„Das ist für biochemieferne Menschen sicher schwer nachzuvollziehen”, räumt Börsch ein, „am besten begreift man es, wenn man sich die Animation anschaut.” Auf dem Laptop-Bildschirm rotiert unermüdlich das winzige Wunderwerk, und alles sieht selbstverständlich und plausibel aus. Doch es war harte Arbeit, nachzuweisen, dass der Doppelmotor wirklich genau so funktioniert.
In den Freiburger Projektgruppen wurde der Doppelmotor aus E. coli-Bakterien isoliert und gentechnisch für die Folgeschritte modifiziert. Des Weiteren fanden die Freiburger einen Weg, auf einer Membranseite elektrochemisch Protonen zu erzeugen und dadurch die Synthase während der Experimente „am Laufen” zu halten.
Anschließend montierte das Team um Börsch jeweils zwei Fluoreszenz-Farbstoffmoleküle in die Synthase-Moleküle, die ihrerseits in die Membranen von künstlich erzeugten Lipid-Hohlkugeln (Vesikel) eingebaut wurden – jeweils ein Synthase-Molekül pro Vesikel. Um im Bild des Bäumchen-Modells zu bleiben: Nun klebten an dem ortsfesten Zweig, der parallel zum Stamm verläuft, eine rote Leuchtkugel und am rotierenden Stamm eine grüne.
Bei jeder der beiden ersten 120-Grad-Drehungen veränderte sich der Abstand zwischen den beiden Lichtquellen, um nach der dritten Drehung wieder den anfänglichen Abstand einzunehmen. Das Besondere an den beiden Leuchtkugeln: Die grüne („Donor”) übertrug Energie aus eingestrahltem Laserlicht auf die rote („ Akzeptor”), und zwar je nach Abstand unterschiedlich viel – was zur Folge hatte, dass sich die relativen Intensitäten des abgestrahlten Fluoreszenzlichts bei jedem Motorschritt ebenfalls charakteristisch änderten.
So etwas in Echtzeit zu messen – jeden 120-Grad-Schritt bewältigt der Nanomotor in etwa 20 Millisekunden – und kenntnisreich auszuwerten, ist das Know-how des zweiten Projektleiters: Jörg Wrachtrup, Professor für Experimentalphysik und Leiter des 3. Physikalischen Instituts an der Universität Stuttgart. Von Haus aus Physiker, hat er sich immer schon mit biologischen Themen auseinandergesetzt und spezielle Methoden entwickelt, um einzelne Moleküle spektroskopisch zu untersuchen.
Das machte ihn zur Idealbesetzung für das Vorhaben, einzelne Exemplare des Nanomotors – jedes Lipid-Vesikel enthielt nur ein einziges Synthase-Molekül – separat bei ihren Drehbewegungen zu beobachten. Für Messtechnik-Freaks: Das eingestrahlte Licht stammte aus einem gepulsten Laser, und Hochgeschwindigkeits-Detektoren mit Einzel-Photon-Zählung registrierten, was das konfokale Mikroskop an Fluoreszenzlicht sichtete.
Eine Menge Rechenarbeit folgte – und erbrachte in der ersten Projektphase (2003 bis 2005), mit 230 000 Euro von der Landesstiftung gefördert, die klare Bestätigung: Der gekoppelte Nano-Doppelmotor funktioniert tatsächlich so, wie man bisher vage geglaubt hatte.
Wer etwas definitiv weiß, kann gezielt handeln. In der zweiten Projektphase (2006 bis 2008), die die Stuttgarter und Freiburger Teams jetzt bei der Landesstiftung beantragt haben, wollen sie ihre Kenntnis der Synthase nutzen, um mögliche Anwendungen in der Nanotechnologie zu erproben:
• Die Nanomotoren – im Ganzen oder in ihre beiden Teilmotoren zerlegt – „immobilisieren”, also ortsfest mitsamt Lipid-Vesikel an eine feste Unterlage binden.
• Daran lernen, wie man die biologischen Maschinen einzeln mit Steuersignalen ansprechen kann – zum Beispiel, um sie als Zapfsäulen für das Benzin der Zelle, ATP, einzusetzen. Börsch: „ Wir wollen das immobilisierte Enzym als ATP-Generator nutzen, um andere, daran gekoppelte Nanomotoren anzutreiben.”
• Den Versuch machen, die rotierende „Baumkrone” – „ beispielsweise mit einer Goldnadel daran” (Börsch) – als Propeller einzusetzen.
Das sind viel bodenständigere Ziele als ein visionäres Mini-U-Boot, das die Gefäßwände von innen putzt. Und für Jörg Wrachtrup steht ohnedies etwas anderes, viel Grundlegenderes als die Jagd nach Nano-Komponenten im Zentrum seiner Gedanken.
„Wir müssen verstehen lernen”, fordert der Physiker, „wie die Natur es schafft, etwas derartig Kleines zusammenzubauen und in Funktion zu halten – mit extrem wenig Energieeinsatz.” Dahinter stünden ganz andere Prinzipien als in der Technik unserer Makrowelt, sagt Wrachtrup. „Erst wenn wir die begreifen, kann der Schritt in die Nanomechanik als neue Schlüsseltechnologie gelingen.”
Das kostet nicht nur Kreativität und Zeit, sondern auch Bares. „Geld katalysiert nun mal Aktivitäten”, sagt Wrachtrup, „und in diesem Fall hat das Geld der Landesstiftung den Michael Börsch, seine früheren Freiburger Kollegen und mich mit unseren spezifischen Kompeten- zen zusammengebracht.” Börsch nickt: „Ohne diese Förderung hätten wir unser Projekt nicht machen können.” ■
