Botanik Karlsruhe / Botanischer Garten der Universität Karlsruhe / Erhaltungskulturen

Ein sogenannter Phragmo-plast (eine Mikrotubuli-struktur, die für die pflanz-liche Zellteilung wichtig ist), über Antikörper sichtbar ge-macht, die mit fluores-zierenden Nanopartikeln ge-koppelt waren. Damit konnten wir zeigen, dass es möglich ist, Nanopartikel so an Proteine (die Antikörper) zu koppeln, daß diese ihre Funktion beibehalten (Bild Kai Eggenberger).

Goldpartikel, die mit fluoreszierenden Nanoparti-keln beschichtet sind. Mit einer sogenannten Partikel-kanone werden sie mit Druckluft in lebende Pflan-zenzellen hineingeschos-sen (Bild Kai Eggenberger).

Bildung von Mikrotubuli aus nanopartikel-gekoppeltem Tubulin (Bild Peter Nick).

Nutzung einer aus Mikro-tubuli und dem Mikrotubuli-motor Kinesin aufgebauten Nanomaschine, um Vesikel mit fluoreszentem Inhalt an eine bestimmte Stelle trans-portieren und dort über einen Lichtblitz entladen zu kön-nen. An der Verwirklichung dieser Idee wird derzeit im Rahmen des CFN-Projekts E3 gearbeitet.

Nanobiologie - was ist das?

Mikrobiologie kennt jeder - es geht um sehr kleine Lebewesen wie Bakterien oder Pilze, die man nur noch mithilfe eines Mikroskops beobachten kann. Aber selbst das kleinste Bakterium ist riesig im Vergleich zu einzelnen Atomen oder Molekülen. In diesem Zwischenbereich zwischen Molekül und Zelle tummelt sich die Nanobiologie (nanos, nanos - griechisch für Zwerg).

Ist das also nur ein anderes Wort für Molekularbiologie - Gene, Proteine und Co? Also für das, was die moderne Biologie ohnehin schon dominiert?

Nein - es ist etwas anderes damit gemeint. Das Nano bezieht sich weniger auf die Zellen oder deren Bestandteile, sondern auf die Werkzeuge, mit denen diese Zellen manipuliert werden. Viele Materialien zeigen im Größenbereich von wenigen Nanometern neue und oft überraschende Eigenschaften. Beispielsweise sind manche Nanoteilchen magnetisch, andere fluoreszieren sehr starke und sehr präzise. Diese Eigenschaften gilt es für die Biologie zu nutzen. Andererseits kann man aber auch die Biologie nutzen, um neue Werkzeuge zu schaffen, mit denen man im Nanomaßstab hantieren kann.

Nanobiologie ist eine interdisziplinäre Wissenschaft. Sie zwingt Biologen dazu, mit Chemikern, Physikern, Materialforschern und Ingenieuren zusammenzuarbeiten und stellt daher höchste Anforderungen an die Vorstellungskraft aller Beteiligten.

Woran arbeiten wir?

Das klingt alles sehr visionär, fast ein wenig nach Science Fiction und das ist es ein Stück weit auch. Um dies umzusetzen, sind viele praktische Probleme zu lösen, echte Pionierarbeit also:

Biokonjugation - wie macht man Nanopartikel biologisch nutzbar?

Die Nanoteilchen mit ihren spannenden Eigenschaften müssen erst einmal so verändert werden, daß man sie unter biologischen Bedingungen überhaupt einsetzen kann. Diese sogenannte Biokonjugation ist die Voraussetzung für jede Art von biologischer Anwendung.

Biopermeabilisierung - wie bekommt man Nanopartikel in Zellen hinein?

Hat man es geschafft, die Nanoteilchen erst einmal an biologische Moleküle von Interesse zu koppeln, kommt der zweite, viel schwierigere Schritt: Wie bekommt man diese Nanoteilchen in die Zelle hinein? Wir versuchen, diese Nanoteilchen mithilfe von Überdruck in die Zellen hineinzuschießen oder mit winzig kleinen Nadeln hineinzuspritzen. Das geht zwar, ist aber sehr, sehr mühsam und die Ausbeute ist gering. Daher verfolgen wir einen zweiten Weg, wo mithilfe von Peptiden kleine Poren in die Zellmembran eingefügt werden, um so die Nanoteilchen einzuschleusen. Nach getaner Tat werden diese Poren wieder entfernt, so daß sich die Zelle wieder erholen kann.

Biomaschinen - wie kann man Nanopartikel nutzen?

Aber es gibt auch Fragestellungen, für die man nicht unbedingt ins Innere einer lebenden Zelle eindringen muß. Man kann Nanopartikel mit Bestandteilen der Zelle auf der Oberfläche von kleinen Glasplättchen zu kleinen Maschinen zusammenbauen, um so gezielt kleinste Mengen einer Fracht an eine ganz bestimmte Stelle zu transportieren. Hierzu verwendet man sogenannte molekulare Motoren, das sind Moleküle, die sich unter Energieverbrauch fortbewegen und eine Fracht mit sich führen können. Hierzu braucht man natürlich "Straßen", die diese Bewegung lenken. In einem soeben im Rahmen der Exzellenzinitiative bewilligten Projekt wollen wir sogenannte Kinesinmotoren entlang von Mikrotubuli-"Straßen" fahren lassen. Um diese Straßen in einer bestimmten Richtung bauen zu können, wollen wir die Bausteine der Mikrotubuline, die Tubuline, an magnetische Nanopartikel koppeln und die daraus erzeugten Mikrotubuli mithilfe eines Magnetfelds ausrichten. Das mutet auf den ersten Blick sehr nach wissenschaftlichem Spiel, es geht aber tatsächlich auch um Anwendungen. Ein Problem bei der Miniaturisierung von technischen Maschinen sind die Grenzen der sogenannten Mikrofluidik: wenn man es mit Flüssigkeiten zu tun hat (z.B. mit teuren und daher sehr sparsam verwendeten Diagnostika) kommt man relativ bald in Bereiche, wo sich die Flüssigkeiten aufgrund der Oberflächenspannung und der Kapillarkräfte nicht mehr mischen und bewegen lassen. Würde man die Flüssigkeit in ein Bläschen (ein sogenanntes Vesikel) packen und als Fracht mit molekularen Motoren an die Zielstelle bringen, könnte man kleine "Laboratorien" bauen, die beispielsweise für die medizinische Diagnostik interessant sind. Mit einem kleinen Tropfen Blut könnte man dann an Ort und Stelle (beispielsweise bei einem Unfallsopfer) schnell prüfen, ob es Allergien, Medikamentenunverträglichkeiten usw. gibt, die man beachten muß. Solche lab-on-the-chip Anwendungen werden in den nächsten Jahren immer wichtiger werden, können aber momentan bedingt durch die Grenzen der Mikrofluidik bestimmte Größengrenzen nicht unterschreiten.

Wer arbeitet hier mit?

Kai Eggenberger (Doktorand)

Aleksandra Jovanovic (Doktorandin)

Jan Maisch (Doktorand)