Perfekte kleine Welt - Die besten Nano-Maschinen baut die Natur
Hamburg (dpa) - 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.
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 Proteine genannten Moleküle 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 in ähnlicher Weise aus dem Alltag vertraut: Viele Bakterien haben in ihrer Hülle rotierende Nano-Motoren, die peitschenähnliche Geißeln antreiben. Damit können einige recht schnell schwimmen. Ein anderer Protein- Komplex, das Ribosom, reiht in einem fließbandähnlichen Verfahren Protein-Bausteine zu fertigen Molekülen zusammen. Und ein weiterer Zell-Baustein hat das Leben in seiner heutigen Form erst möglich gemacht. Weltring: «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.
Von etlichen der biologischen Nano-Maschinen aber wissen Forscher 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 erledigen den Eintritt von Nährsubstanzen und den Austritt von Abfallstoffen, sind für die Wasserversorgung zuständig, steuern die Kommunikation mit anderen Zellen. «Diesen Kosmos an Möglichkeiten und Funktionen zu verstehen, ist von enormer Bedeutung für 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. Weiteres Problem künstlicher Mini- Maschinchen nach biologischem Vorbild: «Die Zellen nutzen chemische Reaktionen für die Energiegewinnung, ein künstlicher Apparat nach diesem Prinzip müsste erst noch entwickelt werden.»
Wie aber sind die selbstorganisierenden Strukturen der Natur entstanden? Mit dieser Frage beschäftigt sich der Biophysiker Wolfgang Heckl an der Universität München. «Das Leben wurde nicht in der Ursuppe gekocht, sondern auf der heißen Herdplatte gebacken», lautet seine Theorie, der zufolge sich die Moleküle des Lebens auf von Urgewässern bedeckten heißen Mineralplatten gebildet haben. «Im Labor haben wir diesen Prozess bereits nachgestellt», sagt Heckl.
Die Stufe vom Chaos zum Leben muss Heckl zufolge nicht unbedingt auf der Erde erklommen worden sein. Derzeit beteiligt sich der wissenschaftliche Grenzgänger an der Suche nach Wasserspuren auf dem Mars. Ein mobiles Rastersondenmikroskop soll in einigen Jahren den Boden des Roten Planeten abtasten.
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