Die besten Nano-Maschinen baut die Natur

Der Mensch forscht unablässig, um den Bau von kleinsten Motoren und Antriebssystemen zu ermöglichen. Die Natur ist schon lange Meister darin.

Bakterium mit Flagellum

Bakterium mit natürlichem „Antriebsmotor“ im Nanomassstab. Bild: DTKUTOO/Shutterstock.com

Sie sind winzig. Sie sind perfekt. Im Vergleich zu ihnen wirken selbst die kühnsten Fantasien über künftige Nano-Roboter lächerlich. Die Moleküle des Lebens, in Jahrmillionen Evolution entwickelt, sind die kleinsten und komplexesten Nano-Maschinen der Welt. „Meister in punkto Nanotechnologie ist die Natur – und sie wird es auch immer bleiben“, sagt Mikrobiologe Klaus-Michael Weltring, Koordinator der Technologie-Initiative Bioanalytik Münster.

Die Geissel, mit derer Hilfe sich Bakterien fortbewegen, wird duch einen winzig kleinen Motor angetrieben.

Die Geissel (auch: Flagellum), mit deren Hilfe sich Bakterien fortbewegen, wird duch einen winzig kleinen Motor angetrieben. Bild: LadyofHats/Wikimedia Commons.

Motoren aus Proteinen

Der menschliche Körper besteht aus rund Hundert Billionen Zellen, alle ständig beschäftigt mit der Erhaltung eines einzigen Lebens. In jedem dieser kleinen abgeschlossenen Systeme schwirrt eine riesige Armada verschiedener molekularer Miniatur-Maschinen umher. „Diese Moleküle, die Proteine, sind aus einigen Tausend Atomen zusammengesetzt und meist nur wenige Millionstel Meter gross – rund hunderttausend Mal kleiner als ein Sandkörnchen“, erklärt Weltring. Einige wenige dieser Mini-Maschinchen sind uns vertraut: Viele Bakterien haben in ihrer Hülle rotierende Nano-Motoren, die peitschenähnliche Geisseln antreiben. Damit können einige recht schnell schwimmen.

Schema Translation an Ribosom

Ribosomen sind komplexe, aus zwei Untereinheiten bestehende Gebilde. Bei den Ribosomen des Menschen setzt sich die kleinere Untereinheit (hier dunkelgrün) aus einer langen Ribonukleinsäure und 32 Proteinen zusammen. Die grössere Untereinheit (hier hellgrün) enthält sogar drei Ribonukleinsäuren und 46 Proteine. Bild: LadyofHats/Wikimedia Commons

Ein anderer Protein-Komplex, das Ribosom, reiht im fliessbandähnlichen Verfahren der Translation Protein-Bausteine zu fertigen Molekülen aneinander. Ein weiteres kleines Organell innerhalb der Zelle war essentiell für das Leben in seiner heutigen Form, der Chloroplast. Weltring meint dazu: „Die Chloroplasten in Pflanzenzellen sind winzige Chemiefabriken, in denen Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt wird. Diese wiederum treibt alle anderen Prozesse des Lebens an.“

Auch das kleinste Rad der Welt ist für Mutter Natur ein alter Hut. Schon seit drei Milliarden Jahren dreht es sich als Teil eines zehn Millionstel Millimeter (Nanometer) kleinen Proteins in jeder Zelle und jedem Bakterium. „Die so genannte ATP-Synthase ist ein kleiner Motor, der Energie aus der Nahrung oder aus dem Sonnenlicht in einen Speicherstoff, das Adenosintriphosphat (ATP) umwandelt – ähnlich einem elektrischen Ladegerät, das mit dem Strom aus der Steckdose Akkus wieder auflädt“, erklärt der Biologe.

Noch viel zu erforschen

Von etlichen der biologischen Nano-Maschinen wissen Forscher aber noch nicht, wie sie funktionieren. „Auf uns wartet noch ein ganzes Universum unerforschter Proteine“, sagt Weltring. „Allein die Oberfläche einer einzigen Zelle ist mit mehreren Hunderttausend bis einigen Millionen derartiger Nanomaschinen bestückt.“ Die Moleküle regeln den Eintritt von Nährsubstanzen und den Austritt von Abfallstoffen, sind für die Wasserversorgung zuständig oder steuern die Kommunikation mit anderen Zellen. „Diesen Kosmos an Möglichkeiten und Funktionen zu verstehen, ist von enormer Bedeutung für die Medizin und Pharmakologie. Er ist der Schlüssel zu neuen Antibiotika und etlichen anderen Medikamenten.“

Wenn die Natur uns schon solch brillante Vorbilder liefert, warum basteln wir sie nicht einfach nach? „Wir bauen unsere Maschinen mit Werkzeugen auf, die Systeme der Natur setzen sich von alleine zusammen“, erklärt Weltring. Ein weiteres Problem künstlicher Minimaschinchen nach biologischem Vorbild: „Die Zellen nutzen chemische Reaktionen für die Energiegewinnung; ein künstlicher Apparat nach diesem Prinzip müsste erst noch entwickelt werden.“

Quelle: BASF

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