Nach Prinzipien der Natur 20.10.2023, 10:00 Uhr

Winziger Nanomotor wird mit „Buchstabensuppe“ angetrieben

Ein internationales Forschungsteam hat einen neuartigen Nanomotor entwickelt. Er wird mit einer „Buchstabensuppe“ angetrieben und vollführt dabei pulsierende Bewegungen. Er soll nun mit einer Kupplung versehen werden und komplexere Maschinen antreiben.

Nanomotor

Der neuartige Nanomotor mit einer RNA-Polymerase, die die beiden „Griffe“ zusammenzieht und wieder loslässt. Dadurch entsteht eine pulsierende Bewegung.

Foto: Mathias Centola/Uni Bonn

Ein internationales Forschungsteam, angeführt von der Universität Bonn, hat einen innovativen Nanomotor entwickelt. Dieser winzige Motor nutzt einen raffinierten Antriebsmechanismus nach dem Vorbild der Natur. RNA-Polymerase sorgen für pulsierende Bewegung. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler beabsichtigen nun, den Motor mit einer Kupplung auszustatten und ihn als Antriebseinheit in komplexere Geräte zu integrieren. Der Aufbau des Nanomotors erinnert an Handmuskeltrainer, jedoch ist er etwa eine Million Mal kleiner. Innerhalb des Motors verbindet eine Federkonstruktion zwei Griffstücke zu einer V-förmigen Struktur.

Was können Nanomotoren?

Nanomotoren, wie der Name bereits durch die Vorsilbe „Nano“ andeutet, sind extrem kleine Antriebseinheiten mit einer Größe von nur wenigen Nanometern (0,000000001 Meter). Sie dienen dazu, mikroskopisch kleine Maschinen, bezeichnet als Nanobots oder Naniten, zu betreiben. Die Antriebsarten variieren, so gibt es zum Beispiel Motoren, die Streck- und Ziehbewegungen ausführen oder die sich wie ein Propeller drehen. Sie sind wichtig für diverse Anwendungen in der Nanotechnologie.

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In Fachzeitschriften, wissenschaftlichen Magazinen und Filmen werden verschiedene Einsatzmöglichkeiten für Nanomotoren diskutiert. Die Spannweite reicht von simplen Mechanismen, wie Miniatur-Tür- oder Deckelöffnern, bis hin zu fortschrittlichen Anwendungen, etwa Medikamenten transportierenden Mikro-U-Booten in der Blutbahn oder Miniaturfräsen, die Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen entfernen.

Jede Zelle verfügt über eine Art Bibliothek

Zurück zum neuartigen Nanometer der Bonner Forschergruppe, der einem Handtrainer ähnelt. Ein Handtrainer funktioniert durch das Zusammendrücken der Griffe gegen die Federkraft. Lässt man los, entspannt sich die Feder und die Griffe bewegen sich wieder auseinander. Prof. Dr. Michael Famulok vom LIMES-Institut der Universität Bonn beschreibt den von ihnen entwickelten Motor als ähnlich, jedoch mit dem Unterschied, dass die Griffe hier zueinander gezogen und nicht zusammengedrückt werden.

Das zugrundeliegende Prinzip beruht auf einem essenziellen Mechanismus, der sowohl in Pflanzen als auch in Tieren vorkommt. Jede Zelle besitzt eine Art interne Bibliothek, die die Anleitungen für alle von ihr benötigten Proteine enthält. Möchte eine Zelle ein spezifisches Protein herstellen, fordert sie eine Kopie dieser Anleitung an. Diese Kopie wird durch sogenannte RNA-Polymerasen erstellt.

RNA-Polymerase sorgen für pulsierende Bewegung

Die originalen Anleitungen für Proteine sind in langen DNA-Strängen codiert. Während RNA-Polymerasen diese DNA-Stränge entlangwandern, kopieren sie die dort gespeicherten Informationen Buchstabe für Buchstabe. „Wir haben nun eine RNA-Polymerase genommen und an eines der Griffstücke unserer Nano-Maschine geklebt“, erklärt Famulok, der auch Mitglied in den Transdisziplinären Forschungsbereichen „Life & Health“ und „Matter“ der Universität Bonn ist.

In unmittelbarer Nähe wurde zwischen den Griffen ein DNA-Strang platziert. Wenn die Polymerase beginnt, diesen Strang zu kopieren, zieht sie ihn durch sich hindurch. Dabei verkürzt sich der noch nicht kopierte Bereich, wodurch sich ein Griff dem anderen nähert und die Feder an Spannung gewinnt.

Am Ende des zwischen den Griffen gespannten DNA-Strangs befindet sich eine spezielle Buchstabenfolge, die als Terminations-Sequenz bezeichnet wird. Diese Sequenz signalisiert der RNA-Polymerase, die DNA freizugeben. Dadurch kann sich die Feder entspannen und die Griffe wieder voneinander wegbewegen. Sobald die Start-Sequenz des DNA-Strangs erneut in die Nähe der Polymerase gelangt, startet der Kopiervorgang von Neuem. „Dadurch vollführt unser Nano-Motor eine pulsierende Bewegung“, erklärt Mathias Centola aus der Arbeitsgruppe von Prof. Famulok.

Energie kommt aus der Buchstabensuppe

Jeder Motor benötigt Energie, und das gilt auch für diesen Nanomotor. Energiequelle sind die Nukleotide, aus denen die RNA-Polymerase Transkripte erstellt. Man kann es sich wie eine Buchstabensuppe vorstellen. Jedes Nukleotid besitzt ein Triphosphat, bestehend aus drei Phosphatgruppen. Um ein Nukleotid an ein wachsendes Transkript anzuhängen, entfernt die Polymerase zwei dieser Phosphatgruppen, wodurch Energie freigesetzt wird. „Unser Motor verbraucht also Nukleotid-Triphosphate“, erklärt Famulok. „Er läuft nur so lange weiter, wie genügend von ihnen vorhanden sind.“

Kolleginnen und Kollegen aus Michigan haben durch direkte Beobachtungen bestätigt, dass die Nanomotoren die vorausgesagten Bewegungen ausführen. Zusätzlich führte ein Team aus Arizona Simulationen des Prozesses auf leistungsstarken Computern durch. Diese Erkenntnisse könnten dazu genutzt werden, den Motor für eine bestimmte Pulsationsfrequenz zu optimieren.

Nun soll der Motor eine Kupplung erhalten

Das Forschungsteam hat außerdem herausgefunden, dass der Motor sich leicht mit anderen Strukturen verbinden lässt. Dies könnte ermöglichen, ihn sich auf einer Fläche bewegen zu lassen, vergleichbar mit der Bewegung einer Spannerraupe über einen Ast.

„Wir planen zudem, eine Art Kupplung herzustellen, so dass wir die Motorkraft nur zu bestimmten Zeiten nutzen und ihn ansonsten gezielt im Leerlauf halten können“, erklärt Famulok. Langfristig könnte er so zum Herzstück einer komplexen Nanomaschine werden. „Bis dahin ist aber noch viel Arbeit zu leisten.“

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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