Molekulare Biotechnologie || Nanobiotechnologie

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  • Nanobiotechnologie 7Einfhrung

    Sichtbarmachung im Nanomastab

    Rastertunnelmikroskopie

    Rasterkraftmikroskopie

    Nachweis von Viren mittels Rasterkraftmikroskopie

    Das Wiegen einzelner Bakterien und Viruspartikel

    Nanopartikel und ihre Anwendung

    Nanopartikel fr die Markierung

    Grenquantisierungs effekt und Farben von Nanokristallen

    Nanopartikel fr die Verabreichung von Arznei stoffen, DNA oder RNA

    Nanopartikel in der Krebstherapie

    Zusammenbau von Nanokristallen durch Mikroorganismen

    Nanorhrchen

    Antibakterielle Nanoschichten

    Nachweis von Viren durch Nanokabel

    Ionenkanle als Nanosensoren

    Gentechnische Vernderung von DNA im Nanomastab

    Mechanische DNA-Nanomaschinen

    Kontrollierte Denaturierung von DNA durch Nanopartikel aus Gold

    Kontrollierte Vernderung der Proteinstruktur durch DNA

    Biomolekulare Motoren

    Weiterfhrende Literatur

  • 200 Nanobiotechnologie7

    Einfhrung

    Richard Feynman prognostizierte im Jahr 1959 als erster Wissenschaftler die Zukunft der Nanotechno-logie und uerte die Vermutung, dass Maschinen und Materialien eines Tages auf atomarer Ebene kon-struiert wrden: Die physikalischen Gesetze spre-chen, soweit ich das beurteilen kann, nicht dagegen, Dinge Atom fr Atom bewegen zu knnen.

    Die Molekularbiologie beschftigt sich weitge-hend mit der Untersuchung von Mikroorganismen. Ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters und in etwa die Lnge einer Zelle von Escherichia coli, dem fr den Genetiker wichtigsten Bakterium. Ein Nanometer ist ein Tausendstel eines Mikrometers (= 109 Meter; Abb. 7.1). Die Bezeichnungen mikro- und nano- stammen beide aus dem Griechischen. mik-ros bedeutet klein, nanos ist dagegen bildhafter und bedeutet kleiner alter Mann oder Zwerg. pico- stammt aus dem Spanischen, wo es eine kleine Menge bezeichnet. Vorsilben fr noch gerin-gere Mengen sind in Tabelle 7.1 aufgefhrt. Mit die-sen Begriffen lassen sich subatomare Dimensionen beschreiben. Handelt es sich jedoch um Massen und Volumina im Nanomastab, dann werden Begriffe wie Femtogramm und Zeptoliter verwendet.

    Vor nicht allzu langer Zeit hat die Wissenschaft den Schritt in den Bereich der Nanotechnologie vollzogen. Wie der Name bereits andeutet, ist das Vordringen in diese Thematik eng verknpft mit der Suche nach neuen praktischen Anwendungen, insbe-sondere in der Elektronik und der Materialforschung,

    und weniger mit der Suche nach theoretischem Wis-sen. Zur Nanotechnologie gehrt die individuelle Manipulation einzelner Molekle oder Atome. Das ursprngliche Ziel war mglicherweise, Materialien mit neuen oder stark verbesserten Eigenschaften zu finden, indem man sie Atom fr Atom oder Molekl fr Molekl aufbaut. Doch das Spektrum erweiterte sich und die Nanotechnologie beschftigt sich mitt-lerweile mit Strukturen, die so klein sind, dass ihre Untersuchung und ihre Manipulation bis vor kur-zem nicht mglich waren. Im Nanomastab nehmen Quanteneffekte zu und die Materialien verhalten sich hufig ungewhnlich, verglichen mit ihren Festkr-pereigenschaften.

    Die Bestandteile von biologischen Zellen entspre-chen in ihrer Gre in etwa den Materialien, die von der Nanotechnologie untersucht werden. Nano-technologen suchen daher auch im Bereich der Zell-biologie nach ntzlichen Strukturen, Prozessen und Informationen. Zellulre Organellen wie Ribosomen lassen sich als programmierbare Nanomaschinen betrachten. Die Nanotechnologie drngt somit auch in Richtung Molekularbiologie. Ein Groteil der Nanobiotechnologie ist aus der Sicht der Materi-alforschung tatschlich Molekularbiologie, und sie verwendet eine neue Terminologie.

    Alle chemischen Reaktionen finden auf Mo-leklebene statt. Was die echte Nanotechnologie allerdings davon abgrenzt, ist, dass hier einzelne Molekle oder Nanostrukturen nach spezifischen Anleitungen zusammengesetzt werden. Ein Ribo-som polymerisiert nicht einfach Aminosuren zu einer Kette. Es verwendet entsprechend der zur

    7.1 GrenvergleichDie Gre der Objekte reicht von einem Meter bis zu einem Picometer.

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    Kohlen-stoatom

    Protein T2-Phage

    Wassersto-atom

    Elektron

    Elektron Mikroskop

    Lichtmikroskop

    unbewanetes Auge

    Bakterien eukary-otische Zelle

    kleinesInsekt

    groerHund

    kary-e Zelle

    kleinesInsekt

  • Sichtbarmachung im Nanomastab 201 7

    Verfgung stehenden Information spezielle Ami-nosuren und verbindet sie in einer bestimmten Reihenfolge. Zu den entscheidenden Eigenschaften einer Nanomaschine gehrt daher die Fhigkeit, Strukturen nicht nur auf Moleklebene zusammen-zusetzen, sondern dabei auch spezifisch und kon-trolliert vorzugehen.

    Das wichtigste praktische Ziel fr die Nano-biotechnologie ist die Verwendung von biologi-schen Komponenten fr Anwendungen im Nano-mastab. Einige dieser Anwendungen sind nichtbio-logischer Natur und stammen aus der Elektronik und der EDV, andere sind jedoch fr die Biologie oder die Medizin von Bedeutung. In diesem Kapitel soll durch ausgewhlte Beispiele gezeigt werden, wie biologi-sche Anstze einen Beitrag zur Nanobiotechnologie leisten.

    Viele Bestandteile biologischer Zellen liegen be-zglich ihrer Gre im Nanobereich. Mit dem Fort-schritt der Nanotechnologie ergeben sich viele Ver-bindungen zur Biotechnologie und zur Gentechnik.

    Sichtbarmachung im Nanomastab

    Um Materialien auf atomarer Ebene manipulieren zu knnen, muss man einzelne Atome und Molekle se-hen knnen. Obwohl sich Molekle auch mit einem Elektronenmikroskop sichtbar machen lassen, war es die Entwicklung von Rastersondenmikroskopen (RSM) (engl. scanning probe microscopes, SPM), die ein neues Feld fr die Nanotechnologie erffneten. Diese Gerte besitzen eine Sonde, die die zu untersu-chende Oberflche abtastet.

    Alle Rastersondenmikroskope messen bestimmte Eigenschaften des Probenmaterials wie den elektri-schen Widerstand, den Magnetismus, die Tempera-tur oder die Lichtabsorption mithilfe einer sehr fei-nen Spitze, die sehr dicht ber der Probenoberflche positioniert wird. Das Mikroskop fhrt die Sonde in einem vorgegebenen Raster (Raster-Scan) ber die Oberflche (Abb. 7.2), wobei die gewnschte Eigen-schaft gemessen wird. Die Daten werden als geraster-tes Bild, hnlich dem auf einem Fernsehbildschirm, dargestellt. Im Gegensatz zu herkmmlichen Mikros-kopen nutzen diese Gerte kein Linsensystem, sodass hier auch nicht die Lichtbrechung die Auflsung

    Tabelle 7.1 Vorsilben und Gren

    Lngeneinheit Meter Beispiele

    5,9 Terameter mittlerer Abstand zwi-schen Sonne und Pluto

    Terameter 1012

    150 Gigameter Abstand der Erde zur Sonne

    Gigameter 109

    380 Megameter Abstand des Mondes zur Erde

    6,3 Megameter Radius der Erde

    3,2 Megameter Lnge der chinesischen Mauer

    Megameter 106

    Kilometer 103

    30 Meter Lnge eines Blauwals

    Meter 1 Lnge eines groen Hundes

    Millimeter 103 kleines Insekt

    Mikrometer 106 Bakterienzelle

    500 Nanometer Wellenlnge sichtbaren Lichtes

    100 Nanometer Gre eines typischen Virus

    3,4 Nanometer eine Windung der DNA-Doppelhelix

    Nanometer 109 Molekle

    350 Picometer Durchmesser eines Wassermolekls

    260 Picometer Atomabstand in festem Kupfer

    77 Picometer Atomradius von Kohlen-stoff (= Auflsungsgrenze eines Rasterkraftmikros-kops aus dem Jahr 2004)

    32 Picometer Atomradius von Wasser-stoff

    ngstrm = 100 Picometer = 1010 Meter

    2,4 Picometer Wellenlnge eines Elektrons

    Picometer 1012

    Femtometer 1015 Radius eines Atomkerns

    Attometer 1018 Radius eines Protons

    Zeptometer 1021

    Yoctometer 1024 Radius eines Neutrinos

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    begrenzt, sondern die Gre der Sonde. Mit einigen dieser Mikroskope lassen sich die Proben nicht nur sichtbar machen, sondern auch verndern.

    Das erste Rastersondenmikroskop war das Ras-tertunnelmikroskop (RTM) (engl. scanning tunne-ling microscope, STM), das Gerd Binnig und Heinrich Rohrer von IBM (s. folgender Abschnitt) entwickel-ten, wofr sie im Jahre 1986 den Nobelpreis erhiel-ten. Das RTM schickt Elektronen, also elektrischen Strom, durch die Probe und misst auf diese Weise den elektrischen Widerstand. Das Rasterkraftmikroskop (RKM) (engl. atomic force microscope, AFM) ist in der Biologie besonders ntzlich und misst die Krfte, die zwischen der Sondenspitze und der Probe wirken.

    Die Sichtbarmachung einzelner Molekle oder Atome ist mithilfe von Rastersondenmikroskopen mglich.

    Rastertunnelmikroskopie

    Wird eine Metallspitze sehr dicht an eine leitende Oberflche herangefhrt, dann flieen zwischen Spitze und Oberflche Elektronen (der sog. Tun-

    nelstrom). Die Strke des Tunnelstromes ist expo-nentiell abhngig von dem Abstand zwischen Spitze und Oberflche. Oberflchenkonturen lassen sich kartieren, indem ein Regelkreis angeschlossen wird, der dafr sorgt, dass der Tunnelstrom immer kon-stant bleibt, whrend die Spitze ber der Oberfl-che schwebt. Durch Heben und Senken der Spitze beim Abtasten der Probe erhlt man Informationen ber die Topographie der Oberflche im atomaren Mastab (Abb. 7.3).

    Mithilfe eines RTM lassen sich Atome auch be-wegen. Im Jahr 1989 fhrten D. M. Eigler und E. K. Schweizer das wahrscheinlich aufsehenerregendste Experiment der Nanotechnologie durch, indem sie 35 Xenonatome auf einer Nickeloberflche zum IBM-Logo anordneten. Sie whlten Nickel, da hier die Tler zwischen den Reihen aus Nickelatomen ausreichend tief sind, um die Xenonatome an ihrem Platz zu halten. Die Tler sind also auch flach genug, sodass sich die Xenonatome ber die Oberflche zie-hen lassen. Um die Xenonatome zu bewegen, wurde die RTM-Spitze im imaging mode des Mikroskops ber einem Xenonatom platziert. Als nchstes schal-tete man den scanning mode aus und d