Nanobiotechnologie I:Nanobiotechnologie I: …...22 Nanobiotechnologie I: Grundlagen und Anwendungen biologischen Systemen und hat deren technische Nutzung in verschie-denen Bereichen

Nanobiotechnologie I:Nanobiotechnologie I:Nanobiotechnologie I:Nanobiotechnologie I: Grundlagen Grundlagen Grundlagen Grundlagen und technische Anwendungenund technische Anwendungenund technische Anwendungenund technische Anwendungen molekularer, funktionaler Biosystememolekularer, funktionaler Biosystememolekularer, funktionaler Biosystememolekularer, funktionaler Biosysteme

TechnologieanalyseTechnologieanalyseTechnologieanalyseTechnologieanalyse

Herausgeber:

VDI-Technologiezentrum

Graf-Recke-Str. 84

40239 Düsseldorf

im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministeriums für Bildung und Forschung

(BMBF)

Diese Technologieanalyse entstand im Rahmen des Vorhabens ”Identifikation und

Bewertung von Ansätzen Zukünftiger Technologien” (Förderkennzeichen NT 2113) der

Abteilung Zukünftige Technologien Consulting des VDI-Technologiezentrums

(Projektleitung: Dr. Dr. A. Zweck) im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), Referat 513.

Durchführung: VDI-Technologiezentrum

Dr. Marcus Wevers

Abteilung: Zukünftige Technologien Consulting

Graf-Recke-Str. 84

40239 Düsseldorf

Dr. Dr. D. Wechsler

Abteilung: Physikalische Technologien

Graf-Recke-Str. 84

40239 Düsseldorf

Zukünftige Technologien Nr. 38

Düsseldorf, im Juli 2002

ISSN 1436-5928

Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen

stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministeriums für Bildung und

Forschung überein.

Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle

Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder

vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der

Übersetzung.

Titelbild: Verschiedene Aspekte eines integrierten, nanobiotechnologischen Modellsystems: ein biomolekulares Motorprotein von nur 10 nm Durchmesser (F0-F1-ATPase, rot) zusammen mit Bakterio-rhodopsin (grün) in der Membran einer Liposomkapsel (Ausschnitte rechts oben und rechts unten). Bakteriorhodopsin arbeitet als lichtgetriebenen Protonen-Pumpe, die in Form von ATP-Molekülen (Adenosintriphosphat) die Energie für F0-F1-ATPase Biomotoren auf einem Substrat liefert. Die Pfeile stellen den Transportweg der Protonen dar. Im kleinen Ausschnitt links oben ist eine elektronenmikro-skopische Aufnahme der Pfosten zu sehen, auf deren Nickelspitze jeweils ein hybrides biomolekulares Motorsystems sitzt. Es besteht ebenfalls aus dem F0-F1-ATPase-Biomotor, der in anderen Experimenten mit einem Rotor aus metallischem Nickel versehen wurde (vgl. Abschnitte 5.1.1 und 6.1.2). Mit freundlicher Genehmigung von C.D. Montemagno (2001)

Zukünftige Technologien-Consulting (ZTC)

des VDI-Technologiezentrums

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40239 Düsseldorf

Das VDI-Technologiezentrum ist als Einrichtung des

Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

Dank gilt einer Vielzahl von wissenschaftlichen Fachleuten für Anregungen und

Diskussionen. Insbesondere möchten wir für Hinweise und Ratschläge folgenden

Experten danken:

PD Dr. F. Bier, Dr. H. Brückl, Dr. O. Bujok, Dr. H. Engelhardt, Dr. W. Fritzsche,

Prof. Dr. H. Gaub, Dr. J. Gobrecht, Prof. Dr. N. Hampp, Dr. H. Hess, Dr. M.

Knoblauch, Dr. L. Liu, Prof. Dr. W. Meier, Dr. M. Mertig, Dr. A. Neubauer, Dr. H.

Neves, Prof. Dr. D. Oesterhelt, Dr. K. Oiwa, Dr. C. Plank, Prof. Dr. J. Rädler, Dr. S.

Waigert, Dr. J. Wessels

VorwortVorwortVorwortVorwort

Im Rahmen der Früherkennungstätigkeiten des VDI-Technologiezentrums werden im

Auftrag des BMBF zukunftsrelevante Technologieoptionen aufgegriffen, vertiefend

bewertet und schließlich – zumindest zum Teil – in Form von Technologieanalysen

vorgestellt. Nach unseren Arbeiten zur Nanotechnologie aus den Jahren 1994

(Grundlagen) und 1998 (Anwendungen) und zahlreichen Analysen zu Teilaspekten der

Nanotechnologie (Ratsersondentechniken, Nanoröhren etc.) fokussieren wir den Blick

im Rahmen der vorliegenden Technologieanalyse auf das Grenzgebiet zwischen Physik

und Biologie.

Die besten Beispiele perfekt funktionierender Nanomaschinen stellen biologische Zellen

oder auch schon ihre funktionellen Bestandteile dar. Die Nanobiotechnologie macht sich

Aufbau und Organisation funktioneller Einheiten nach biologischem Vorbild zu Nutze,

um zu innovativen Anwendungen in unterschiedlichsten Technologiebereichen zu

gelangen. Das Feld präsentiert sich dabei in zweifacher Perspektive, die zu einer

Zweiteilung der Technologieanalyse führte. Zum einen geht es um den Einsatz von

Nanotechnologie für die Herstellung und Untersuchung biologischer Systeme. Diese

Anwendungen zielen auf den Bereich Medizin und Life-Sciences ab. Zum anderen gibt

es auch biomolekulare Systeme, die nanotechnologische Anwendungsmöglichkeiten

unterstützen.

Letzterer Perspektive widmet sich die vorliegende, erste Technologieanalyse zur

Nanobiotechnologie, während sich eine zweite, zur Zeit noch in Arbeit befindliche

Technologieanalyse eingehend der zuerst genannten Möglichkeit widmen wird. Unter

Einbeziehen aktueller Forschungsergebnisse werden technische Anwendungschancen,

Nutzen und Hindernisse diskutiert und aussichtsreiche Teilgebiete identifiziert.

Zugleich wird eine Strukturierung des noch recht jungen und doch hochinteressanten

Forschungsgebietes vorgenommen. Schon bei Ausarbeitung der ersten Technologie-

analyse wurde deutlich, dass sich das Feld der Nanobiotechnologie sehr inhomogen

darstellt und für einige erwartete Anwendungen eine langfristige Betrachtungs-

perspektive erforderlich ist.

Das VDI-Technologiezentrum unterstützt mit der Technologieanalyse nicht nur das

laufende Fördermaßnahme zu Nanobiotechnologie des BMBF, sondern zeigt auch die

vielfältigen, langfristigen Zukunftsoptionen auf und hofft, Anstöße für einen weiteren

Innovationsschub aus dem Nanokosmos beitragen zu können.

Dr. Dr. Axel Zweck

InhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnisInhaltsverzeichnis

1111.... EINFÜHRUNGEINFÜHRUNGEINFÜHRUNGEINFÜHRUNG 1111

1.1 Beschreibung des Technologiefeldes 1

1.2 Definition Nanobiotechnologie 4

1.3 Zielsetzung der Technologieanalyse 5

1.4 Basis der Technologieanalyse 7

1.5 Strukturierung der Technologieanalyse 7

2222.... PRODUKTIONSPROZESSEPRODUKTIONSPROZESSEPRODUKTIONSPROZESSEPRODUKTIONSPROZESSE ZUR HERSTELLUNG NAN ZUR HERSTELLUNG NAN ZUR HERSTELLUNG NAN ZUR HERSTELLUNG NANOSKALIGER OSKALIGER OSKALIGER OSKALIGER STRUKTURENSTRUKTURENSTRUKTURENSTRUKTUREN 9999

2.1 Selbstorganisationsphänomene von Biomolekülen 10

2.2 Selbstorganisation als Verfahren der Nanobiotechnologie 14

2.3 Biomineralisation 23

2.4 Zusammenfassende Bewertung 28

3.3.3.3. BIOMEMBRABIOMEMBRABIOMEMBRABIOMEMBRANENNENNENNEN 31313131

3.1 Membranen auf der Basis von S-Schichten 31

3.2 Biomimetische Polymermembranen 34


4.4.4.4. BIOBASIERTE SENSOBIOBASIERTE SENSOBIOBASIERTE SENSOBIOBASIERTE SENSORENRENRENREN 38383838

4.1 Beispiel für einen biomolekularen, chemomechanischen Sensor 39

4.2 Sensoren auf der Basis von S-Schichten 39


5555.... LICHTENERGETISCHE PLICHTENERGETISCHE PLICHTENERGETISCHE PLICHTENERGETISCHE PROZESSEROZESSEROZESSEROZESSE 43434343

5.1 Teilschritte zu einer künstlichen Photosynthese 43

5.2 Biomimetische Photovoltaik ("Grätzel Zelle") 47


6666.... BIOMOLEKULARE MOTORBIOMOLEKULARE MOTORBIOMOLEKULARE MOTORBIOMOLEKULARE MOTOREN UND AKTUATOREEN UND AKTUATOREEN UND AKTUATOREEN UND AKTUATORENNNN 51515151

6.1 Transport und Antrieb mit biomolekularen Motoren 51

6.2 Biomolekulare Aktuatoren und Schalter 61


7777.... ANWENDUNGSBEREICHE ANWENDUNGSBEREICHE ANWENDUNGSBEREICHE ANWENDUNGSBEREICHE IN DER INFORMATIONSIN DER INFORMATIONSIN DER INFORMATIONSIN DER INFORMATIONS---- UND UND UND UND KOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIELOGIELOGIELOGIE 69696969

7.1 Biologische Moleküle zur Herstellung molekularer Elektronikarchitekturen 70

7.2 Bioelektronische Bauteile 72


7.4 Bakteriorhodopsin und DNS als Datenspeicher und Sicherheitsmerkmal 78


7.6 DNS zur Informationsverarbeitung (DNA Computing) 85


7.8 Beiträge zur Neurotechnologie 89


8888.... INDIKATOREN FÜR DIEINDIKATOREN FÜR DIEINDIKATOREN FÜR DIEINDIKATOREN FÜR DIE ENTWICKLUNG UND UMS ENTWICKLUNG UND UMS ENTWICKLUNG UND UMS ENTWICKLUNG UND UMSETZUNG DES ETZUNG DES ETZUNG DES ETZUNG DES TECHNOLOGIEFELDESTECHNOLOGIEFELDESTECHNOLOGIEFELDESTECHNOLOGIEFELDES 93939393

8.1 Literatur- und Patentrecherche 93

8.2 Nationale und internationale FuE-Aktivitäten 97

8.3 Spezielle Nanobiotechnologie-Aktivitäten in Deutschland 98

8.4 Marktpotenzial 99

9999.... GESAMTBEWERTUNG UNDGESAMTBEWERTUNG UNDGESAMTBEWERTUNG UNDGESAMTBEWERTUNG UND AUSBLICK AUSBLICK AUSBLICK AUSBLICK 101101101101

9.1 Anwendungsorientierter Technologieaufbau 102

9.2 Umfassende Technologiekompetenz 102

9.3 Synergie mit Nano2Bio-Applikationen 105

9.4 Selbstorganisation 105

9.5 Interdisziplinarität 106

9.6 Fazit 107

10101010.... ANHANGANHANGANHANGANHANG 108108108108

10.1 Literaturverzeichnis 109

10.2 Auswahl einiger nationaler und internationaler Arbeitsgruppen 115

Einführung 1111

1.1.1.1. EINFÜHRUNGEINFÜHRUNGEINFÜHRUNGEINFÜHRUNG

Seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops forschen Wissenschaftler

intensiv nach Möglichkeiten, den Nanokosmos zu erobern und ihn mit

Hilfe der Nanotechnologie für technische Anwendungen nutzbar zu

machen. Auf diesem Weg wurden viele neue Werkzeuge zur Herstellung

und Manipulation von submikroskopisch kleinen Strukturen entwickelt

[Bachmann 1998].

Auch in biologischen Organismen sind nanoskalige Werkzeuge

vorhanden, deren Verständnis die Kontrolle von komplexen Systemen

auf der molekularen Ebene ermöglichen könnte. Es gibt eine Vielzahl

kooperierender und vernetzt arbeitender Nanomaschinen: angefangen bei

der Energieerzeugung (z.B. Photosynthesezentren, die mit Hilfe von

Licht biochemisch nutzbare Energiespeichermoleküle herstellen), über

molekulare Fabriken (Mitochondrien) und molekulare Transportsysteme

(Mikrotubuli und Motorproteine) bis hin zu einem Datenspeicher- und

Datenlesesystem großer Kapazität, das auf den Erbgutmolekülen (DNS)1

basiert. Eine besondere Rolle spielen dabei funktionelle Biomoleküle, die

z.B. als Bestandteil von Lichtsammel- und Umwandlungsanlagen,

Signalwandler, Katalysatoren, Pumpen oder Motoren arbeiten. Zum Auf-

bau und Unterhalt dieser Strukturen nutzt die Natur keine aufwendigen

Apparaturen, sondern die Selbstorganisationsfähigkeit biomolekularer

Bauteile.

Die Fortschritte in der Biologie bei der Aufklärung molekularer Mecha-

nismen und der Struktur funktioneller Proteine bilden eine Grund-

voraussetzung für die Anwendung und Integration der biomolekularen

Funktionen in technischen Systemen. Im Gegenzug eröffnet sich nun

durch die Nanotechnologie die Möglichkeit, isolierte funktionstragende

Biomoleküle gezielt für technische Anwendungen zu nutzen. Mit

zunehmendem Verständnis der biologischen Baupläne, die der Selbst-

organisation und speziell der Biomineralisation zugrunde liegen, ergeben

sich auch neue Anwendungschancen für neuartige Konstruktions-

methoden nanoskaliger Strukturen und Werkstoffe.

1.11.11.11.1 Beschreibung des Technologiefeldes Beschreibung des Technologiefeldes Beschreibung des Technologiefeldes Beschreibung des Technologiefeldes

Die Nanobiotechnologie ist ein sehr junges, interdisziplinäres und i.a.

sehr weit gefasstes Forschungsgebiet. Es bildet auf der Nanoskala eine

Schnittstelle zwischen der Forschung an biologischen und nicht-

1 Desoxyribonukleinsäure (DNS)

Innovationsschub aus dem Nanokosmos: Treffpunkt molekulare Biologie

2222 Nanobiotechnologie I: Grundlagen und Anwendungen

biologischen Systemen und hat deren technische Nutzung in verschie-

denen Bereichen zum Ziel.

Motiviert ist die Forschung vor allem durch die allgemeine Entwicklung

zur Miniaturisierung von Bauteilen und deren Funktionalisierung – auch

mit Hilfe der Nanotechnologie. Dieser Trend hat auch die Biotechnologie

und Medizin erfasst.

Die Nanobiotechnologie befindet sich aufgrund des hohen Grades an

Interdisziplinarität unmittelbar an der Schnittstelle zu den biologischen

Disziplinen Biochemie (eher Materialaspekte) und Biophysik (eher

methodische, struktur-analytische Aspekte). Verfahren, die in der

Nanobiotechnologie zur Herstellung von anwendbaren Bauteilen benötigt

werden, kommen zum einen aus der Biotechnologie (z.B. die Isolierung

funktioneller Biomoleküle oder gentechnische Verfahren für die Kon-

struktion bzw. Analyse spezifischer DNS-Moleküle) und zum anderen

aus der Nanotechnik, wenn es z.B. um Erzeugung von Nanopartikeln,

-strukturen oder auch die Anknüpfung an nicht-biologische Strukturen

geht.

Vergleicht man Prinzipien in der belebten Natur mit entsprechenden

technischen Verfahren und Systemen, so werden einige gravierende

Unterschiede offensichtlich (s. Tabelle 1.1, vgl. [Stümper-Jansen 1996]).

Ein typisches Beispiel sind die energieaufwändigen Herstellungsverfah-

ren heutiger Technik und die vergleichsweise energiearme, selbstorgani-

sierte Umsetzung biologischer Baupläne für hochkomplexe Einheiten wie

Protein-Maschinen in der Zelle. Diese Unterschiede beruhen im

wesentlichen darauf, dass in der Natur die Produktion aller Stoffe, die die

Zelle benötigt, auf der Nanoskala abläuft. Außerdem findet in lebenden

Organismen Stoffwechsel statt, wodurch Wachstum und Regeneration

sowie der Abtransport von Abfallstoffen, die laufend entstehen, erst

möglich wird. Hierzu entwickelte sich evolutionär eine hoch effiziente

und hoch spezialisierte Maschinerie in biologischen Zellen. Dabei

kommen verschiedene, als Nanomaschinen betrachtbare Moleküle wie

z.B. funktionale Proteine zum Einsatz, die für die Energieversorgung,

Informationsverarbeitung, chemische Produktion, Transport etc.

zuständig sind. Diese Produktionsmaschinen wurden für bestimmte

Aufgaben optimiert, die der Zelle bzw. dem Zellverbund das Überleben

sichern sollen. Wir sind noch weit davon entfernt, den gesamten

biologischen Nano-Apparat beschreiben, geschweige denn ihn technisch

nutzen zu können. Der erste Schritt in diese Richtung ist die Aufklärung

der Einzelprozesse und die Umsetzung ausgewählter funktionaler

Einheiten in kontrollierbare Systeme für technische Anwendungen.

Interdisziplinäre Verflechtung

Gravierende Unterschiede: biologische und technische Systeme

Einführung 3333

Verfahren oder Eigenschaft

Typische Realisierung in technischer Systemumgebung

Typische Realisierung in biologischen Systemen

Herstellungs-prozess

- top down - großtechnische Fertigung

mit makroskopischen Geräten.

- technische Verfahren für große Mengen

- bottom up - Selbstorganisationsprozesse,

langsames Wachsen funktioneller Einheiten auf molekularer Ebene, Verbindung zu größeren Systemen

Kontrollier-barkeit

- nur in kleinen Ausschnitten auf molekularer bzw. atomarer Ebene möglich oder als statistisches Ensemble

- durch Vielzahl spezialisierter und in einem Netzwerk zusammen-arbeitender Nanomaschinen auf molekularer Ebene

Materialien - generalisierter Bausatz (breite Palette an Elementen und Verbindungen mit unterschiedlichsten Eigenschaften)

- flexibler Grundbausatz (wenige Klassen von Biomaterialien, für unterschiedliche Funktionen optimierbar)

- Biokomposite auf der Nano- bzw. Mikroskala

Energieaufwand - hoch (oft Hochtemperatur-bereich), vergleichsweise geringe Wirkungsgrade, Verlust durch Abwärme

- gering (höchst effiziente Umwandlungskette mit chemischen Trägerstoffen, dadurch aber auch molekulare Abfallprodukte)

Umwelt-verträglichkeit

- häufig problematisch - biologisch abbaubare Produkte, unter natürlichen Bedingungen i.d.R. kein Problem

Haltbarkeit, Stabilität, Veränderbarkeit

- über sehr breiten Bereich von (extremen) Umgebungsbedingungen (Temp., Druck, pH, etc.) existieren technische Lösungen.

- i.d.R. langzeitstabil, aber keine Selbstreparatur und eher unflexibel.

- vergleichsweise empfindlich - aber: nachwachsend,

flexibel, regenerationsfähig, natürliche Abbauprozesse, selbstkorrigierend

Tabelle 1.1: Vergleich technischer und biologischer Systeme


1.21.21.21.2 Definition NanobiotechnologieDefinition NanobiotechnologieDefinition NanobiotechnologieDefinition Nanobiotechnologie

Die Nanobiotechnologie ist in der Regel durch folgende Aspekte

charakterisiert:

•= Nanoskaligkeit (in mindestens zwei Dimensionen, d.h. keine

einfache, nm dicke Schicht) spielt für die Anwendung eine

funktionstragende Rolle (die Funktion ist an Nanoskaligkeit

oder die molekulare Struktur gebunden)

•= Biokomponente ist Bestandteil der Anwendung

•= Potenzial zum Maßschneidern der funktionellen Einheiten oder

zur Kontrolle bzw. für eine Ansteuerung auf der Nanoskala ist

gegeben (technologischer Aspekt)

Eine sinnvolle Einteilung der Anwendungen, die auch zur Strukturierung

der Technologieanalyse herangezogen wurde, orientiert sich an den

Transferrichtungen zwischen nanoskaligen Systemen / Nanotechnologie

auf der einen Seite und biologischen Systemen / Biotechnologie auf der

anderen Seite. Unter dem Kürzel "Nano2Bio"2 lässt sich die Nutzung der

Nanotechnologie für die Analyse und Herstellung biologischer

Nanosysteme zusammenfassen. Die Hauptanwendungsbereiche sind

Biotechnologie und Life-Sciences. Dem gegenüber steht "Bio2Nano" für

die Nutzung bio(techno)logischer Materialien und Baupläne zur

Herstellung funktionaler, technischer Nanosysteme. Diese könnten in den

Bereichen Informations- und Kommunikationstechnologie, der Energie-

und Umwelttechnik, etc. für technische Anwendungen nutzbar gemacht

werden.

Die Nanobiotechnologie stellt Anwendungsmöglichkeiten in Aussicht,

die zu Systemkomponenten eines konkreten Produkts oder zu Analyse-

und Herstellungsverfahren führen können.

Für die verschiedenen Anwendungen mit nanobiotechnologischem

Charakter lassen sich im Bereich "Bio2Nano" drei Anwendungsebenen

identifizieren:

•= Nanofabrikation und Nanostrukturierung mit biobasierten Methoden

•= technische Nutzung funktioneller Biomoleküle, Hybridsysteme

•= Konstruktion technisch-biologischer Schnittstellen

Die erste Option stellt vor allem die Zubringerrolle der Nanobio-

technologie für die Nanotechnologie heraus. Hier geht es im

wesentlichen um die Nutzung des biologischen Prinzips der

2 In Anlehnung an englische Abkürzungen wie „B2B“ = „business to business“.

Zwei Transfer-richtungen:

Nano → Bio

Bio → Nano

Drei Anwendungsebenen

Einführung 5555

Selbstorganisation molekularer Einheiten zu komplexeren Gebilden, wie

z.B. das Anordnen von Nanopartikeln auf DNS-Gerüststrukturen. Der

zweite Aspekt beinhaltet den Einsatz der Funktionen isolierter

Biomoleküle (wie z.B. die Licht getriebene Protonenpumpe Bakterio-

rhodopsin, vgl. Umschlagillustration) in technischen Systemen bzw. in

Kombination mit nicht-biologischen Bauteilen (z.B. Hybridsystem aus

einem Protein und einem metallischen Rotor). Der dritte Punkt umfasst

alle Anwendungsperspektiven, die mit biologisch-technischen

Schnittstellen verknüpft sind. Um eine Schnittstellenfunktion zwischen

biologischen und technischen Materialien herzustellen, ist die

Möglichkeit einer chemischen Kopplung wichtig, die z.B. für Gold-

oberflächen oder Halbleiternanopartikel (z.B. Zink- oder Cadmiumsulfid)

durch Thiol-Gruppen erreicht wird. Die Schnittstellen besitzen meist

auch eine Signalwandler-Funktion, die für den direkten Informations-

transfer zwischen biologischen und technischen Systemen genutzt

werden kann. Beispielsweise stellt das bakterielle Membranprotein

Bakteriorhodopsin, das Photonen (Licht) in elektrische (Spannungs-

differenz) bzw. chemische Information (Protonengradient) umwandelt,

einen photoelektrischen bzw. photochemischen Signalwandler dar.

Die Technologieanalyse des umfassenden Forschungsgebietes der

Nanobiotechnologie nähert sich der Thematik von den potenziellen

Anwendungsfeldern her und ist in zwei aufeinander folgende Studien

unterteilt. Die vorliegende Studie befasst sich mit den Grundlagen und

technischen Anwendungen außerhalb der Life-Sciences (vorwiegend

"Bio2Nano"-Aspekt), während die zur Zeit in Arbeit befindliche

Technologieanalyse die medizinisch-diagnostischen, pharmazeutischen

und therapeutischen Anwendungen aus den Life-Sciences (überwiegend

"Nano2Bio") enthalten wird.

1.31.31.31.3 Zielsetzung der TechnologieanalyseZielsetzung der TechnologieanalyseZielsetzung der TechnologieanalyseZielsetzung der Technologieanalyse

Die vorliegende Technologieanalyse dient der zukunftsorientierten

Identifizierung und Bewertung der Anwendungsmöglichkeiten der

Nanobiotechnologie im Rahmen der Technologie-Früherkennungs-

aktivität der Abteilung Zukünftige Technologien-Consulting des VDI-

Technologiezentrums für das BMBF. Sie wurde in Abstimmung mit dem

laufenden BMBF-Förderprogramm zur „Nanobiotechnologie“ erstellt.

Ziel: Informationstransfer


Maßgebliches Ziel der Technologieanalyse ist ein Informationstransfer in

folgende Richtungen:

•= Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und

andere Stellen der Forschungsförderung sollen objektiv informiert

werden, so dass ein notwendiger Forschungs- und Koordinier-

ungsbedarf innerhalb und außerhalb des Technologiegebietes

abgestimmt werden kann. Darüber hinaus sollen zukünftige

Ausschreibungen und das laufende Förderprogramm „Nanobio-

technologie“ unterstützt werden.

•= In der Nanotechnologie, den Biowissenschaften sowie

angrenzenden Forschungsfeldern tätige Wissenschaftler sollen

Informationen über fachfremde Erfahrungen und Untersuchungs-

ergebnisse erhalten, die zu interessanten und interdisziplinären

Kooperationen führen können.

•= Industriellen Anwendern werden durch den Überblick

Anregungen vermittelt und die Kontaktaufnahme zu potentiellen

Forschungspartnern ermöglicht.

•= wissenschaftlich vorgebildeten Interessenten und Entscheidungs-

trägern (u.a. Politiker, Fachjournalisten) wird ein unkomplizierter

Einstieg in die Thematik ermöglicht.

Die Technologieanalyse versteht sich auch als Innovationsanalyse im

Sinne der übergreifenden Zielorientierung der Forschungs- und

Technologiepolitik des BMBF. Ziel ist es dabei, zur Sicherung der

wirtschaftlichen und technologischen Wettbewerbsfähigkeit innovative

wissenschaftliche Forschungsergebnisse und technische Entwicklungen

schneller als bisher in marktfähige Produkte umzusetzen und Inno-

vationshemmnisse zu beseitigen. Weiterhin spielt die Orientierung an

gesellschaftlichen Problemen, insbesondere in den Bereichen Umwelt,

Gesundheit und Ernährung, eine wichtige Rolle für die Prioritätensetzung

der Forschungspolitik.

Ausgehend von dem recherchierten Stand der Forschung werden im

Rahmen der Technologieanalyse die jeweiligen Anwendungs-

perspektiven und Realisierungsmöglichkeiten unter Berücksichtigung

bisheriger Verfahren bzw. Konkurrenzverfahren sowie der innovative

und technologiespezifische Charakter erörtert. Im Sinne einer

Technikvorsorge werden zudem frühzeitig anwendungsrelevante

Anforderungen und Entwicklungshemmnisse identifiziert und analysiert.

Dem Leser soll anhand charakteristischer Beispiele eine Vorstellung

davon vermittelt werden, worin das Potenzial der Nanobiotechnologie in

technischen Anwendungsbereichen besteht.

Zukünftiges Potenzial der Nanobiotechnologie

Einführung 7777

1.41.41.41.4 Basis der TechnologieanalyseBasis der TechnologieanalyseBasis der TechnologieanalyseBasis der Technologieanalyse

Die Technologieanalyse basiert im wesentlichen auf gezielter

Rechercheaktivität und vertiefter Analyse der Ergebnisse. Als spezielle

Informationsquellen dienten Fachliteratur, wissenschaftliche Informa-

tionsdienste, Internet-Informationsseiten von Forschern, Literatur- und

Patentdatenbanken und Kongressbeobachtungen.

Um diese Erkenntnisse zu verifizieren und auf eine gesicherte Basis zu

stellen wurden zahlreiche Expertenbefragungen durchgeführt. Auf der

Grundlage dieser Informationen wurden Analysen und Bewertungen zu

den Teilgebieten vorgenommen.

Neben fachwissenschaftlichen Aspekten interessierten dabei insbesonde-

re Anwendungsperspektiven, Entwicklungshemmnisse und Forschungs-

aktivitäten. Die durchgeführte Literatur- und Patentrecherche dient

insbesondere dazu, den Stand Deutschlands und Europas im Vergleich zu

den beiden großen Forschungsregionen USA und Japan/Südost-Asien

darzustellen.

1.51.51.51.5 StrukStrukStrukStrukturierung der Technologieanalyseturierung der Technologieanalyseturierung der Technologieanalyseturierung der Technologieanalyse

Übersicht der vorgestellten Anwendungs- bzw. Technologiefelder:

•= Produktionsprozesse o Nanofabrikation (Selbstorganisationsverfahren)

o Materialsynthese (Biomineralisation)

•= Biosensoren und Biomembranen (z.B. in der Umwelt-,

Produktions- und Lebensmitteltechnik)

•= Lichtenergetische Prozesse (z.B. biologisch unterstützte

Photovoltaik)

•= Biomolekulare Motoren und Aktuatoren (z.B. das

Mikrotubuli-Kinesin Transportsystem)

•= Informations- & Kommunikationstechnologie o Molekularelektronik (Konstruktion, Verdrahtung,

Bauteile)

o Datenspeicherung

o Sicherheitsmerkmale

o Bezug der Nanobiotechnologie

��zum DNA-Computing

��zur Neurotechnologie


Die potenziellen Anwendungen in den Bereichen Produktionsprozesse,

Energieerzeugung, Biomembranen, Biosensorik, Biomolekulare Motoren

und Aktuatoren sowie Informations- und Kommunikationstechnologie

werden in den folgenden Kapiteln exemplarisch vorgestellt und jeweils

mit zusammenfassenden Bewertungen versehen.

Im Anschluss werden Forschungsaktivitäten auf nationaler wie inter-

nationaler Ebene anhand von Publikationen und Patenten dargestellt,

sowie das Marktpotenzial der Technologie diskutiert.

Die Gesamtbewertung mit Ausblick gibt schließlich Auskunft über

generelle Erkenntnisse, die sich aus dieser Analyse ergeben haben.

Im Anschluß daran werden in einer zweiten Technologieanalyse die

Anwendungen in den Life-Science-Bereichen (mit dem Schwerpunkt Nano2Bio) vorgestellt. Diskutiert werden u.a. die Themen

- Biochip-Technologien für das high-throughput screening (HTS)

- in vivo Einsatz funktionaler Nanopartikel, z.B. zur Freisetzung und

zum Transport von Wirkstoffen (drug delivery)

- künstlicher Gewebeaufbau (tissue engineering)

- Biokompatibilität.

Produktionsprozesse 9999

2.2.2.2. PRODUKTIONSPROZESPRODUKTIONSPROZESPRODUKTIONSPROZESPRODUKTIONSPROZESSE ZUR SE ZUR SE ZUR SE ZUR HERSTELLUNG NANOSKALHERSTELLUNG NANOSKALHERSTELLUNG NANOSKALHERSTELLUNG NANOSKALIGER IGER IGER IGER STRUKTURENSTRUKTURENSTRUKTURENSTRUKTUREN

Nanoskalige Systeme aus strukturell angeordneten molekularen Bau-

steinen oder Atomclustern besitzen häufig Eigenschaften, die sie als

funktionale Einheiten für technische Anwendungen u.a. in der Sensorik,

Optik bzw. Optoelektronik oder Molekularelektronik in Frage kommen

lassen.

Nanostrukturen können nicht nur durch verschiedene "top down"-

Technologien wie z.B. optische oder Ionenstrahl-Lithographieverfahren

erzeugt werden, sondern in vielen Fällen auch durch das Zusammen-

setzen einzelner Bausteine ("bottom up"). Die "top down"-Verfahren sind

teilweise mit hohem technischen Aufwand und Kosten verbunden. In der

Nanobiotechnologie werden bottom up-Verfahren unter Verwendung von

Biomolekülen und biologischen Bauprinzipien entwickelt

a) zur Fabrikation nanoskaliger Systeme (z.B. Selbstorganisation

von DNS-Molekülen und bakteriellen Membranproteinen) oder

zur Nanostrukturierung (Biomoleküle als Template)

b) für eine auf der Nanoskala kontrollierte Materialsynthese (Biomineralisation)

Das zugrundeliegende Prinzip beim Aufbau natürlicher Materialien und

Strukturen ist die Selbstorganisation einzelner Moleküle unter definier-

ten Randbedingungen zu komplexen strukturellen Einheiten. Sie wird in

den folgenden Abschnitten eingehender dargestellt.

Ein spezieller biologischer Prozess, bei dem die Selbstorganisation eine

essentielle Funktion besitzt, ist das Wachstum. Bei biologischen

Wachstumsprozessen werden unterschiedlichste funktionelle Materialien,

sogar bis hin zu anorganischen Kristallen, im Organismus hergestellt, die

zum Aufbau von Gewebe oder Knochen benötigt werden. Die

Biomineralisation ist aus technischer Sicht besonders interessant, da die

komplexen Kristallisationsprozesse in der Natur zwar selbstorganisiert,

aber sehr viel kontrollierter als in industriellen Verfahren ablaufen. Von

einem tiefergreifenden Verständnis dieser Vorgänge werden Verbesser-

ungen für technische Produktionsabläufe und neue Verfahren erwartet.

Ein weiteres Beispiel ist das regenerative Wachstum von Bakterien.

Dabei reorganisieren sich die etwa 500 000 Zellhüllenproteine der

kristallinen Membran eines Bakteriums lokal ständig neu, um pro

Sekunde ca. 500 neue Proteinbausteine in das vorhandene Gitter

aufzunehmen [Sara/Sleytr 1999]. Voraussetzung hierfür ist eine große

Naniobiotechnologische "bottom up" Verfahren: Selbstorganisation, Biomineralisation


Vielfalt an möglichen Verknüpfungsstellen der Proteine für stabile

Anordnungen. Diese Reorganisationsfähigkeit von bakteriellen Zell-

hüllenmembranproteinen (sogenannte S(urface)-Schicht-Proteine und -

Glykoproteine) bietet in Form technisch hergestellter S-Schichten

Anwendungspotential, z.B. als Ultrafiltrationsmembranen, nanoporöse

Template für Metallisierungen oder für die Aufreihung von Nano-

partikeln, die u.a. Potenzial als hochsensible Sensoren besitzen (vgl.

Abschnitte 2.2.3, 3.1 und 4.2).

Zu Anwendungen im Bereich der Produktionsprozesse gehören im

Prinzip auch die wohl bekannten Katalyseverfahren der Biotechnologie,

die hauptsächlich auf Enzymen basieren, welche mit Hilfe der

Gentechnik an die gewünschten Produkte angepasst werden können. Hier

sind in den letzen Jahren z.B. durch die Verwendung von enzymatischen

Biokatalysatoren in organischen Lösungsmitteln große Weiterentwick-

lungen erfolgt [Schmid et al. 2001]. Da dieses Feld bereits in der

Biotechnologie etabliert ist, wird darauf in der vorliegenden Technologie-

analyse nicht näher eingegangen. Hingegen wird die Materialsynthese

spezieller Nanopartikel durch Nanoreaktorik in Liposomen oder Vesikeln

als Teilgebiet der Nanobiotechnologie betrachtet (s.u.).

2.12.12.12.1 Selbstorganisationsphänomene von BiomolekülenSelbstorganisationsphänomene von BiomolekülenSelbstorganisationsphänomene von BiomolekülenSelbstorganisationsphänomene von Biomolekülen

Der Begriff "Selbstorganisation" wird für viele Prozesse verwendet, bei

denen sich (molekulare) Einzelbausteine spontan zu einer größeren,

wohlgeordneten Einheit zusammenlagern, meist ohne eine starke

chemische Bindung einzugehen. Solche spontanen Ordnungsprozesse

sind allgegenwärtig und treten in vielen Bereichen des täglichen Lebens

auf (Kristallisation, Wachstum von lebenden Organismen usw.). Auch in

der Chemie (selbstorganisierte Monolagen, Mizellenbildung) und

molekularen Biologie (Bildung eines Tabakmosaikvirus oder von

Zellmembranen) wird dieses Prinzip häufig angetroffen

[Whitesides/Mathias/Seto 1991], das letztendlich den gesamten Ablauf

des Lebens bestimmt und Eigenschaften wie das Regenerationsvermögen

von biologischen Systemen ermöglicht.

Die entstehenden Gebilde haben häufig besondere Eigenschaften wie

eine (komplexe) Gesamtstruktur oder eine gleichmäßige Ausrichtung, die

für eine technische Nutzung vorteilhaft ist (z.B. SAM, self-assembled monolayers, für Sensoranwendungen).

Unter der "Technik" der Selbstorganisation (auch von biologischen

Materialien bzw. Molekülen) läßt sich im allgemeinen die Kontrolle und


die Nutzung geeigneter Selbstorganisationsphänomene als Konstruktions-

prinzip für funktionelle Schichten, Partikel oder Bauteile verstehen. In

der Elektronik wird beispielsweise die spontane Bildung nanoskaliger,

pyramidenförmiger GaAs-Quantenpunkte für Laseranwendungen genutzt

[Bimberg/Grundmann/Ledentsov 1998]. Hier wird der grundsätzliche

Vorteil der Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen für technische

Zwecke deutlich: obwohl es theoretisch auch mit Rastersondentechniken

möglich wäre, diese Atomanordnung zu erreichen, wäre der Aufwand

unverhältnismäßig größer. Überlässt man das System hingegen unter

bestimmten Bedingungen sich selbst, gelangt man ohne weiteren

Aufwand zu dem gewünschten Produkt.

Technisch nutzbare Selbstorganisationsphänomene von Biomolekülen

sind vor allem für Herstellungsverfahren von nanostrukturierten

Systemkomponenten und für das spezifische Andocken von funktionellen

Einheiten von großer Bedeutung. Im folgenden sollen Selbst-

organisationsphänomene von bestimmten Biomolekülen, die aus

nanobiotechnologischer Sicht relevant sind, exemplarisch beleuchtet

werden.

2.1.12.1.12.1.12.1.1 MonoMonoMonoMono---- und Multilagensystemen und Multilagensystemen und Multilagensystemen und Multilagensystemen

Eine sehr einfache und seit langem bekannte Variante der

Selbstorganisation ist die von biologischen Lipiden oder lipidähnlichen,

amphiphilen3 Molekülen. Sie bestehen aus einem kurzen hydrophilen

Teil und einem langgestreckten lipophilen Korpus und ordnen sich zu

zweidimensionalen monomolekularen oder Doppel- und Multischichten

an. Lipide wie z.B. Phospholipide bilden auch die Doppelschichten in

biologischen Membranen, die auch funktionelle Proteine inkorporieren

können. Aus solchen Nanometer dünnen Schichten können wiederum,

begünstigt durch Template oder bestimmte Konzentrationsverhältnisse,

z.B. Mizellen, Vesikel oder Liposome4 entstehen [Laval/Chopineau/

Thomas 1995, Singh/Markowitz/Chow 1995].

3 Amphiphile Moleküle besitzen ebenso wie Lipide einen hydrophilen und einen lipophilen Teil. 4 Als Mizellen werden i.a. kleine Bestandteile in einer kolloidalen Lösung bezeichnet, die sich durch besondere Beschaffenheit (Kristallstruktur; als Molekülverband etc.) von der Umgebung abheben. Lipid-Mizellen sind Aggregate von Lipiden mit nach innen gerichteten hydrophoben und nach außen gerichteten hydrophilen Gruppen, so dass Fettbestandteile durch die hydrophile Hülle in Wasser gelöst werden können. Bei inversen Mizellen ist die Orientierung der Gruppen umgekehrt. Vesikel sind aus einer Biomembran bestehende nanoskalige intrazelluläre "Transportgefässe". Liposome sind wasserlösliche, geschlossene Vesikel aus Lipiddoppelschichten. Sie werden vor allem für den Wirkstofftransport in der Medizin eingesetzt und entsprechen einem einfachen Modell einer Zellmembran.

Selbstorganisation: vom Phänomen zur Nanofabrikations-technik

Selbstorganisation in biologischen Schichten: Lipide und Self-assembled Monolayers (SAM)


Self-assembled monolayers (SAM) sind normalerweise zweidimensio-

nale, aufgrund nicht-kovalenter Kräfte regelmäßig angeordnete

Molekülaggregate und können z.B. mit der Langmuir-Blodgett-Technik

künstlich erzeugt werden. Solche SAM lassen sich, kombiniert mit

anderen Nanoherstellungsverfahren, zur Erzeugung nanoskaliger,

funktioneller Strukturen nutzen [Köhler 2001]. Sie lassen sich z.B. durch

Photolithografie oder sogenannte „Soft-Lithografie“-Verfahren

[Xia/Whitesides 1998] wie Mikro-Kontaktprinting weiter strukturieren.

Ferner eignen sie sich durch Einführen entsprechender Ankergruppen in

die von der Oberfläche wegweisenden Reste der schichtbildenden

Moleküle für die Immobilisation von Enzymen und Antikörpern

[Singh/Markowitz/Chow 1995].

Durch sandwich-artiges Aufbringen einer weiteren Moleküllage mit

entgegengesetzter Ausrichtung (Bildung von Doppellipidschichten) oder

Einführen zusätzlicher Verknüpfungsgruppen am äußeren Molekülende,

können auch mehrere Schichten auf die erste aufgebracht werden

[Whitesides/Mathias/Seto 1991].

Eine weitverbreitete Variante ist die Bildung von 2-D periodischen SAM

aus Kohlenwasserstoffen mit einer am Ende angekoppelten Thiolgruppe

auf einem Goldsubstrat und einer gleichorientierten Ausrichtung der

Kohlenwasserstoff-Ketten. Die Thiol-Gold-Wechselwirkung ist sehr stark

und verleiht der Struktur eine relativ hohe mechanische Stabilität. Diese

Schichtanordnungen können z.B. für Sensoranwendungen weiter

modifiziert werden und eignen sich zur Anbindung von biologischen

Molekülen als Rezeptoren oder reaktiven Gruppen an den organischen

Teil der Moleküle. Eine entsprechend funktionalisierte Schicht lässt sich

beispielsweise mit photolithografischen Verfahren oder durch Stempel-

und Prägetechniken weiter strukturieren. Thiol-Gold-SAM Anordnungen

bilden die Grundlage für viele Biosensoren [Knichel et al. 1995,

Bier/Kleinjung/Scheller 1997]. Allerdings ist die Herstellung kalibrierter

Biosensorsysteme teilweise sehr schwierig und kostspielig, so dass

intensiv nach Alternativen geforscht wird.

2.1.22.1.22.1.22.1.2 Selbstorganisierte, dreidimensionale StrukturenSelbstorganisierte, dreidimensionale StrukturenSelbstorganisierte, dreidimensionale StrukturenSelbstorganisierte, dreidimensionale Strukturen

In Gegenwart von Templaten können sich Lipide und lipidähnliche

Substanzen auch zu dreidimensionalen Hüllen wie sphärische Mizellen

und Vesikeln oder zylinderförmigen Tubuli einrollen [Laval/Chopineau/

Thomas 1995, Singh/Markowitz/Chow 1995].

Thiol-Gold-Kopplung zur Integration biologischer Schichten mit technischen Systemen


2.1.2.1 Mizellen, inverse Mizellen und Vesikel

Ein Beispiel aus dem Alltag für die Bildung von Mizellen sind Tenside in

Spül- und Waschmitteln. Hier bilden die lipidähnlichen Tensidmoleküle

im Wasser sphärische Hohlräume mit einer hydrophoben Innenseite und

einer hydrophilen Hülle, die Fettreste verkapseln und trotzdem

wasserlöslich bleiben. In bestimmten organischen Lösungsmitteln5

können sich inverse Mizellen bilden, die einen hydrophilen Innenraum

von einigen Nanometern Durchmesser aufweisen.

Die Bildung abgeschlossener Kompartimente wie normaler oder inverser

Mizellen in einem Lösungsmittel kann auch für die Durchführung

chemischer Reaktionen im Inneren der Kompartimente genutzt werden.

Damit lassen sich z.B. auch Nanopartikel herstellen, die nicht sofort

wieder zu größeren Aggregaten zusammenklumpen.

Vesikel oder Liposome mit Doppellipidmembranen eignen sich für

Untersuchungen als Modellmembranen, in die auch funktionelle Proteine

inkorporiert werden (vgl. Abschnitt 5.1.2). Andere Anwendungen der

Vesikelbildung sind z.B. die Stabilisierung von Proteinen und Enzymen

(in Umgebungen, die normalerweise zu einer Denaturierung führen

würden), die lokale, gezielte Wirkstofffreisetzung oder eine Verwendung

als Mikro-Bioreaktoren [Gregoriadis 1993]. Mit Hilfe der

Nanobiotechnologie könnten in Zukunft vielleicht solche

"Nanobioreaktoren" gezielt mit spezifischen Ionenkanälen oder

Ionenpumpen ausgestattet werden, die komplexere Synthesen und

besserer Steuerung der Produkte ermöglichen sollen.

2.1.2.2 Röhrenförmige Anordnungen

Auch bei der Bildung von Mikrotubuli aus Tubulin-Proteineinheiten, die

sich zu Röhren von einigen µm Länge und einem Durchmesser von ca.

24 nm zusammensetzen, erfolgt der Aufbau durch Selbstorganisation

[Engelborghs 1994]. Mikrotubuli bilden u.a. in der Zelle die Zytoskelett-

Filamente, die als Transportschienen z.B. für Vesikel dienen, und für die

Beweglichkeit und Formveränderbarkeit der Zelle, speziell in der Mitose

(Zellteilung), eine wichtige Rolle spielen.

Mikrotubuli werden auch zusammen mit Linearmotorproteinen für die

Herstellung biomolekularer Motorsysteme verwendet (vgl. Kapitel 6.1.1).

5 Apolare Lösungsmoleküle besitzen kein permanentes elektrisches Dipolmoment und sind daher hydrophob (z.B. Tetrachlorkohlenstoff).

Modellsysteme für biologische Hüllen: Mizellen, Vesikel und Liposome


2.22.22.22.2 Selbstorganisation als Verfahren der Selbstorganisation als Verfahren der Selbstorganisation als Verfahren der Selbstorganisation als Verfahren der NanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologieNanobiotechnologie

Für technische Anwendungen der Nanobiotechnologie spielen bislang

vor allem zwei weitere Systeme und deren Selbstorganisations-Produkte

eine entscheidende Rolle, die in den folgenden Abschnitten eingehend

beschrieben werden:

•= gerichtete (auch als programmierte oder algorithmische

bezeichnete) Selbstorganisation von DNS-Molekülen

•= Selbstorganisation von bakteriellen Membranproteinen

(S-Schichten)

2.2.12.2.12.2.12.2.1 Hybridisierung von DNSHybridisierung von DNSHybridisierung von DNSHybridisierung von DNS----MolekülenMolekülenMolekülenMolekülen

Grundlage für den Selbstorganisationsprozess von DNS-Molekülen sind

selektive Hybridisierungsreaktionen. Ein DNS-Molekül setzt sich aus

Nukleotid-Grundbausteinen (bestehend aus einem Zucker, Phosphorsäure

und einer Nukleinbase wie Adenin, Thymin, Guanidin oder Cytosin)

zusammen, die paarweise zueinander komplementär sind. Jeweils ein

Paar aus A-T bzw. G-C-Basen ist in der Doppelhelix-Struktur durch zwei

bzw. drei Wasserstoffbrückenbindungen fest aneinander gebunden. Diese

Paarbildung ist mit einer relativ hohen Bindungsenergie verbunden und

für die große Affinität komplementärer Basen zueinander verantwortlich.

Diese Selektivität ermöglicht erst die gezielte Nutzung der DNS für

Selbstorganisationsverfahren. Oligonukleotide (3-10 Nukleotide) und

Polynukleotide erkennen dadurch komplementäre Stränge und binden

sich an diese. Durch diese Hybridisierung zweier DNS-Stränge nimmt

die DNS die typische Doppelhelixstruktur ein, in deren Inneren die

Basenpaare mit gewissem Abstand übereinander liegen. Dieser

Erkennungsprozess kann technisch zur gezielten Verknüpfung von

Einheiten genutzt werden, da komplementäre DNS-Stränge selektiv

angekoppelt werden können. Durch entsprechende Wahl der

Nukleinbasen-Abfolge in einem Oligonukleotid kann die Verknüpfung

und damit das Produkt der Selbstorganisation vorherbestimmt werden

("programmierte" oder "gerichtete" Selbstorganisation).

2.2.22.2.22.2.22.2.2 Nanobiotechnologische DNSNanobiotechnologische DNSNanobiotechnologische DNSNanobiotechnologische DNS----SelbstorganisationsSelbstorganisationsSelbstorganisationsSelbstorganisationsprozesseprozesseprozesseprozesse

Die selektiv verlaufende Bildung der Basenpaare bei der Hybridisierung

von Oligonukleotiden und DNS, ermöglicht nanotechnische Anwen-

dungen wie programmierbare Positionierhilfen, molekulare Steckbretter

oder die Konstruktion komplexerer Einheiten [Niemeyer 2000, Niemeyer

molekulare DNS-Erkennungs-reaktion: Grundlage der programmierbaren Selbstorganisation


2001]. Damit lassen sich aus molekularen oder nanoskaligen

Bauelementen, die mit entsprechenden DNS-Strängen verbunden sind,

komplexe Gebilde konstruieren, welche wiederum für verschiedene

Anwendungen, z.B. in der Molekularelektronik oder für die Detektion

spezifischer DNS-Moleküle genutzt werden können.

2.2.2.1 Positionierhilfe für Nanobausteine

Durch die nanoskalige Anordnung von DNS-Ankergruppen auf

metallischen oder anderen Substraten lassen sich "molekulare

Steckbretter" generieren, auf die durch Hybridisierung gleichzeitig und

selektiv an verschiedenen Bindungsstellen eine Vielzahl unterschied-

licher funktioneller Einheiten aufgebracht oder Rezeptoren immobilisiert

werden können.

Die Gruppe um A.P. Alivisatos (University of California, Berkeley)

verfolgt eine bestimmte Strategie zur eindeutigen Positionierung

molekularer Bausteine mittels DNS-Moleküle. „Nanokristallmole-

küle“ aus 1,4 nm großen Goldclustern, welche mit gezielt synthetisierten

Oligonukleotiden funktionalisiert sind, werden konstruiert, indem diese

selektiv an die jeweils komplementären Abschnitte einer Gerüst-DNS

binden [Alivisatos et al. 1996].

Kolloide Goldpartikel von etwa 13 nm Größe können mit einer ähnlichen

Methode, die in der Arbeitsgruppe von Chad A. Mirkin entwickelt

wurde, miteinander verknüpft werden. Allerdings wurden hier die DNS-

Stränge als reine Verknüpfungselemente und nicht in Form eines

Gerüstes genutzt. Dazu werden zunächst Nanopartikel zweier Größen mit

DNS-Strängen funktionalisiert. Nach Zugabe von komplementären DNS-

Verbindungssträngen werden die Nanopartikel gemäß der durch die

Basensequenz programmierten Regeln (z.B. A-B-A-B..., vgl. Abbildung

2.1) zu regelmäßigen Netzwerken verknüpft. Diese DNS-programmierte

Aggregation kann durch thermische Denaturierung und Re-Hybridi-

sierung vollständig reversibel gesteuert werden [Mirkin et al. 1996].

Durch die Aggregation ändern sich zudem die optischen Eigenschaften

der Partikel, was sich in einem Farbumschlag von rot nach blau äußert, so

dass die Reaktion zur Detektion spezifischer DNS-Sequenzen genutzt

werden kann. Mit dieser Methode konnte bereits die Identifizierung des

Milzbranderregers Anthrax demonstriert werden [Mirkin 2000].

Auch für die effiziente Konstruktion von nano- bzw. molekular-

elektronischen Bauteilen besitzen Selbstorganisationsprozesse, in denen

DNS-Stränge als Positionsbestimmungsmarker eingesetzt werden, großes

Anwendungspotenzial. Ein Beispiel für eine experimentelle Umsetzung

Gesteuerte Nanofabrikation mit DNS-Ankergruppen


dieses Prinzips ist die Vernetzung metallischer Röhrchen [Service 1999].

Dazu werden die Nanoröhren zunächst in den Hohlräumen von porösen

Filtermembranen durch Abscheidung von Metalldampf hergestellt. Diese

Metallröhrchen bestehen z.B. an den Enden aus Platin und in der Mitte

aus Gold.6 An die Gold-Teilstücke wiederum können Thiolgruppen

geheftet werden, die ihrerseits mit DNS-Oligomeren verknüpft und so

eindeutig adressierbar sind. Mit weiteren Oligonukleotiden können dann

gezielt einzelne Einheiten aus metallischen Nanoröhren zu

dreidimensionalen Anordnungen verbunden werden. Dabei findet eine

Hybridisierung der verschiedenen komplementären Oligomere unter-

einander statt. Die DNS-Moleküle fungieren hierbei als eine Art

"programmierbarer Klettverschluss", der die Verknüpfung und korrekte

Positionierung nur zueinander passender Drahtstücke ermöglicht.

Mit dieser Technik wurden einfache Formen wie Dreiecke und Kreuze

hergestellt. Trotzdem ließ es sich nicht vermeiden, dass in einigen Fällen

Baueinheiten durch nicht-komplementäre DNS-Stränge verbunden wur-

den.

G. Whitesides und Mitarbeiter haben mit hexagonalen, Mikrometer

großen Goldpartikeln demonstriert, dass prinzipiell auch größere

Strukturen durch molekulare Selbstorganisationsphänomene erzeugt

6 Mittlerweile ist es auch möglich, eine ganze Palette an unterschiedlichen Metallen zu Nanoröhren zu kombinieren und die Abfolge bzw. Länge der Metallstücke für eine Art Balkenkode-Verfahren zu nutzen: S.R. Nicewater-Pena, R. G. Freeman, B.D. Reiss, L. He, D.J. Pena, I.D. Walton, R. Cromer, C.D. Keating, M.J.Natan, "Submicrometer Metallic Barcodes", Science, 294, S. 137-140 (2001). Für die Kommerzialisierung dieser Technik wurde die Firma Nanoplex Technologies, Inc. gegründet.

Abbildung 2.1: rechts: Selbstorganisation

zweier Nanopartikelsorten

A und B (beschichtet mit

DNS-Positionierhilfe-

Markern ) mit komplemen-

tärer Verbindungs-DNS zu

einem regelmäßig

angeordnetem Aggregat

unten: Elektronen-

mikroskop-Aufnahme einer

Partikelanordnung mit

unterschiedlich großen A-

und B-Teilchen. (Balken =

20 nm)

Quelle: C. Mirkin,

Northwestern Univ.;

http://www.chem.

northwestern.edu/~mkngrp/


werden können. Je nach Beschichtung der Hexagon-Flächen und –Kanten

mit hydrophilen oder hydrophoben Molekülen lagern sich die Partikel

von selbst zu Stapeln oder mosaikartigen Flächen zusammen [Clark et al.

2000]. DNS-Moleküle sollten sich in ähnlicher Weise als pro-

grammierbare Positionsbestimmungsmarker auch für (noch) größere

Konstrukte einsetzen lassen. 2.2.2.2 Programmierte DNS-Konstruktionen

Durch geschickte Wahl der Basensequenzen kann die Art der

Verflechtung beim Hybridisierungsprozess von Oligonukleotiden und

damit die Topografie der entstehenden Moleküle vordefiniert werden.

Ned C. Seeman von der Universität New York konnte mit dieser

Methode bereits einige spektakuläre, komplexere Strukturen realisieren

(z.B. Würfel [Chen/Seeman 1994] oder Kuboktaeder [Zhang/Seeman

1994], siehe Abbildung 2.2).

Die topografischen Eigenschaften der DNS-Doppelhelix lassen sich auch

dazu benutzen, um zu erweiterten Strukturen zu gelangen. Dazu werden

verschiedene DNS-Einzelstränge, statt wie in der Doppelhelix-Struktur

vollständig hybridisiert, nur an bestimmten Stellen miteinander

verflochten, indem die anderen Stellen schon durch gezielt eingebaute

komplementäre Basenabschnitte blockiert wurden. Aus vier DNS-

Strängen lässt sich z.B. eine fest miteinander verflochtene Teilstruktur

konstruieren, die als „DNA tiles“ bezeichnet wird und eine gewisse

Steifigkeit aufweist. An den Enden bzw. „Eckpunkten“ dieser DNS-

Flechtwerke ragen nicht-hybridisierte Basensequenzen heraus, die zur

Verknüpfung mit weiteren DNS-Flechtwerken genutzt werden können.

Auf diese Weise lassen sich periodische Anordnungen aus unterschied-

lichen Sorten von DNS-Fliesen aufbauen. Ein Forschungsziel ist es

dabei, einen kompletten zweidimensionalen "DNS-Kristall" zu

konstruieren. Die DNS-Flechtwerke können darüber hinaus auch zum

programmierten Aufbau periodischer Muster und komplexerer Strukturen

eingesetzt werden [Winfree et al. 1998].

Solche Strukturen könnten sich auch unter entsprechenden Umgebungs-

bedingungen gemäß den in den Bausteinen vorgegebenen Regeln neu

anordnen.

Die Arbeiten von Ned C. Seeman haben gezeigt, wie sich DNS-Moleküle

als strukturelle Bauelemente für die programmierbare, selbstorganisieren-

de Konstruktion einsetzen lassen. Obwohl solche komplexen DNS-

Gebilde derzeit nicht in technischen Anwendungen genutzt werden, ist es

sinnvoll, das Potenzial für programmierbare Strukturen zu erforschen, die

Abbildung 2.2: Computermodelle eines

Würfels (a) und eines

Kuboktaeders (b), dessen

Kanten aus DNS-

Doppelhelices gebildet

werden.

Quelle: N.C. Seeman,

New York Univ.;

http://seemanlab4.chem.

nyu.edu/

DNS-Moleküle als Nanokonstruktions-material

(a)

(b)


in Zukunft vielleicht in Nanomaschinen oder für programmierbare

Materialien eingesetzt werden können. Auch die Kombination mit

anderen Nanoeinheiten wie Clustern etc. verspricht interessante

Funktionalitäten, wie z.B. schaltbare DNS-Aggregate. Die visionäre

Hoffnung ist dabei, dass sich mit Hilfe programmierbarer Selbst-

organisation molekulare Gerüststrukturen für die Verknüpfung mole-

kularer Bauelemente von zukünftigen Rechnersystemen oder Nano-

maschinen generieren lassen. In Abschnitt 6.2.2 finden sich Beispiele für

nanomechanische DNS-Konstruktionen nach diesem Prinzip.

2.2.2.3 Streptavidin-Biotin-Kopplungen Streptavidin ist ein Protein, das an vier Stellen Biotin-Moleküle binden

kann. Sobald Biotin-Moleküle diese Bindungspositionen erkennen, gehen

sie eine sehr feste Bindung mit dem Protein ein. Dieses Verhalten kann

zur Kopplung nanoskaliger bzw. molekularer Baueinheiten, die entweder

mit Biotin oder Streptavidin funktionalisiert sind, genutzt werden. Ein

Biotin- oder Streptavidin-Anker lässt sich z.B. durch Einführen einer

Thiolgruppe in das Biotin- oder Streptavidin-Molekül erzeugen. Dabei

wird die Baugruppe über die Thiolgruppe chemisch an eine (metallische)

Oberfläche gebunden. Bauteile mit den passenden Ankern fügen sich

leicht in einer selbstorganisierten Weise zusammen. Dieses Prinzip lässt

sich in verschiedenen Anwendungen nutzen.

In der DNS-Analytik können beispielsweise über eine Biotin-Strept-

avidin-Kopplung DNS-Moleküle an magnetische Partikel gekoppelt

werden, wodurch die Separation von Hybridisierungsprodukten mittels

Magnetfeldern erfolgen kann. Auch die Befestigung von Actinfilamenten

als Rotorblätter an F0-F1-ATPase-Nanomotoren (vgl. Abschnitt 6.1.2)

wurde mit diesen Verbindungsbausteinen durchgeführt. Schließlich

gelingt es, mit Hilfe von Biotin-Streptavidin-Kopplungen zwischen

nanoskaligen Bauelementen komplexe Netzwerk aus Gold-Nanopartikeln

[Mann et al. 2000] oder aus DNS-Doppelstrangmolekülen aufzubauen

[Niemeyer et al. 1999].

Im Gegensatz zur programmierbaren Positionierung mit DNS-Molekülen

fehlt für einzelne Biotin- bzw. Streptavidin-Gruppen jedoch die selektive

Positions- bzw. Bindungskontrolle.

Kopplung auf der Nanoskala: feste Bindung zwischen Streptavidin-Proteinen und Biotin-Molekülen


2.2.32.2.32.2.32.2.3 Selbstorganisation von bakteriellen MembranSelbstorganisation von bakteriellen MembranSelbstorganisation von bakteriellen MembranSelbstorganisation von bakteriellen Membranproteinen proteinen proteinen proteinen zu Szu Szu Szu S----SchichtenSchichtenSchichtenSchichten

Die Herstellung von S-Schichten in makroskopischen Dimensionen zielt

auf viele technische Bereiche ab [Pum/Sleytr 1999, Pum et al. 1999].

Anwendungsmöglichkeiten liegen neben S-Schicht-Ultrafiltrations-

Membranen (s. Abschnitt 3.1) vor allem in der Nutzung der Funktion von

S-Schichten als nanoskalige, periodische Template (vgl. Abschnitt

2.2.3.1) zum Aufbau nanoskaliger Strukturen.

S-Schichten sind zweidimensionale und kristalline Oberflächenstrukturen

in den Zellhüllen vieler Bakterien (vgl. Abbildung 2.4). Sie bestehen aus

regelmäßig angeordneten Membranproteinen [Sleytr et al. 1999]. Die

mittlere Dicke einer solchen Schicht beträgt 5-10 nm. Die Membran-

proteine besitzen die Fähigkeit zur Selbstorganisation. Sie bilden auf

einer Skala von ca. 3-30 nm unterschiedliche periodische Anordnungen

aus Untereinheiten, die aufgrund der Periodizität sehr regelmäßige Poren

von 2-8 nm Durchmesser aufweisen (siehe Abbildung 2.5). Durch

Zugabe entsprechender Reagenzien lassen sich S-Schichtproteine leicht

isolieren und an unterschiedlichen Oberflächen zu vielfältigen, neuen

Mustern rekristallisieren. Die Kontrollierbarkeit dieser Eigenschaft über

die Umgebungsbedingungen (z.B. Temperatur, pH-Wert, Ionenzusam-

mensetzung und -stärke) und insbesondere durch die Substratoberfläche

öffnet den Weg zu nanobiotechnischen Anwendungen [Pum/Sleytr

1999].

Da sich die Proteine relativ leicht funktionalisieren lassen, eignen sich S-

Schichten geradezu als eine Art molekularer Steckbretter. Beispielsweise

können an die Außenseite der Proteinmatrix funktionelle Einheiten wie

Enzyme und Antikörper angehängt werden, die als Ionenfänger wirken

(z.B. Dendrimere, Kronenether etc.) bzw. bestimmte Moleküle abfangen

Abbildung 2.3: Rekristallisationsmöglich-

keiten und –produkte von

S-Schichten auf

verschiedenen Oberflächen

Quelle: [Pum et al. 1999]

Zellhüllenproteine mit Nanostruktur: selbstorganisierende S-Schichten


können (z. B. durch Hybridisierung von Oligonukleotiden). Eine weitere

Charakteristik der S-Schichten ist das gute Anhaften an biologischen

Zellen. Diese Funktion kann man z.B. für die gezielte Immobilisation von

Zellen und biologisch aktiven (Makro-) Molekülen auf Biosensoren

nutzen (vgl. Abschnitt 4.2).

Native S-Schicht-Proteine sind unter Flüssigkeit (mit Zusatz von

Bakteriostatika) bei Raumtemperatur gut zwei bis drei Monate haltbar,

bei 4°C erhöht sich die Haltbarkeit auf etwa ein Jahr. Die Denaturierung

setzt je nach Protein bei ca. 60-70° C ein. Diese Stabilitätsgrenzen sind

bei technischen Anwendungen zu berücksichtigen.

Trotz der Erfolge bei der Strukturaufklärung von S-Schichten und

obwohl sich bereits jetzt erste technische Anwendungsmöglichkeiten

ergeben, sind noch einige Grundfragen offen, die für eine industrielle

Anwendung erarbeitet werden sollten. Insbesondere sind Fortschritte bei

der exakten Lokalisierung der Aminosäuren in der S-Schicht nötig, da

diese für die Funktionsweise z.B. bei der Anbindung funktioneller

Gruppen entscheidend sind.

2.2.3.1 S-Schicht-Template und Substrate

S-Schichten können zur Übertragung ihres periodischen, nanoskaligen

Musters genutzt werden (Templatfunktion). Präzise, regelmäßige Nano-

partikel- bzw. Metallclusteranordnungen mit neuen physikalischen

Eigenschaften sind für viele potenzielle Anwendungen im Bereich der

molekularen Elektronik, nicht-linearen Optik interessant, könnten aber

auch als speziell funktionalisierte Membranen für die Mikroreaktorik und

Sensorik eingesetzt werden, wie in Abschnitt 3.1.2 und 4.2 dargestellt

wird. Bislang konzentrieren sich die Forschungen auf die Herstellung der

Partikelanordnungen. Es ist jedoch nötig, die physikalischen und

chemischen Eigenschaften dieser neuen Materialkonfigurationen

eingehend zu untersuchen, um das Anwendungspotenzial voll

auszuschöpfen.

Als Herstellungsmöglichkeiten für solche Strukturen wurden verschie-

denste Verfahren mit Hilfe von S-Schicht-Templaten erprobt, z.B.

kolloidale Kristallisation [Nagayama 1992], Monolagenabscheidung

[Murray/Kagan/Bawendi 1995], Ätzgrubentechnik [Douglas/De-

vaud/Clark 1992] oder nanoskalige Ätzmasken [Winningham et al.

1998]. Mit Hilfe von S-Schichten, die auf einem festen Substrat rekris-

tallisiert wurden, lassen sich monodispers Cadmiumsulfid- [Shenton/

Abbildung 2.4: kristalline S-Schicht eines

Bakteriums mit periodischer

Anordnung der Proteine

Quelle: U.B. Sleytr, Zentrum für

Ultrastrukturforschung

(Univ. für Bodenkultur,

Wien);

http://www.boku.ac.at/zuf/

Abbildung 2.5: Modell einer quadratischen

S-Schicht

Quelle: U.B. Sleytr, Zentrum für

Ultrastrukturforschung

(Univ. für Bodenkultur,

Wien);



Pum/Sleytr 1997] und Gold-Nanopartikel [Dieluweit/Pum/ Sleytr 1998]

abscheiden. Eine gleichförmige Anordnung von Nanopartikeln auf S-

Schichten ist auch für mehrere Übergangsmetalle mit hohem

Schmelzpunkt realisiert worden (Ti, Cr, V) [Moore et al. 1998].

Regelmäßige Clusterarrays lassen sich alternativ aus einem Metallfilm,

der auf eine S-Schicht aufgedampft wird, mittels selektiven Ionenätzens

herstellen. Bei der Abscheidung von Platinatomen wurde festgestellt,

dass die Metallpartikel sich bevorzugt in den Poren des 2-D-

Proteinkristalls bilden [Mertig et al. 1999]. Ähnliches gilt auch für die

Abscheidung von CdS-Clustern [Shenton et al. 1998]. Der genaue

Mechanismus der Abscheidungsprozesse ist unklar, allerdings wurde ein

Modell vorgeschlagen, das von sich periodisch ändernden Oberflächen-

ladungen ausgeht [Pum/Sara/Sleytr 1989].

Im folgenden werden einige Anwendungsbeispiele aufgelistet:

•= Ein konkretes Beispiel für den potenziellen Einsatz solcher

nanostrukturierter Filme sind ferromagnetische Nanopartikel-Anord-

nungen, die unter Verwendung der Technik des Magnetron-Sputterns

und durch Trockenätzen mit Argon-Ionen präpariert werden können

[Panhorst et al. 2001]. Auf dem hexagonalen S-Schichtmuster mit

einer Gitterkonstante von 18 nm lassen sich ferromagnetische Nano-

partikel aus Co, Fe, FeCo, CoNi oder NiFe abscheiden. Diese

Strukturen sollen letztendlich dazu verwendet werden, periodische

Anordnungen von Nanomagneten als Datenspeichermedien zu erzeu-

gen.

•= In dem von der EU im 5. Rahmenprogramm geförderten Nanotechno-logy Information Devices-Projekt namens BIOAND (Biomolecule driven assembly of nanoparticle based electronic 'devices', IST-

1999-11974) sollen zur Konstruktion nano-elektronischer Bauteile

Selbstorganisations-Werkzeuge nach Strategien entwickelt werden,

die aus der Natur adaptierbar sind. Dabei werden die

Selbstorganisationsmöglichkeiten von DNS-Molekülen und S-

Schichten zu einer Nanofabrikations-Strategie verknüpft (vgl.

Abschnitt 7.1.1).

•= S-Schichten können in einer Doppellagen-Resist-Technik eingesetzt

werden. Dabei wird der Photoresist mit einer S-Schicht überzogen,

die dann z.B. mit DUV Licht durch eine Photomaske strukturiert

wird. Anschließend dient die S-Schicht selbst als Maske und der

Photoresist kann auf diese Weise an den freigelegten Stellen mit

einem Licht anderer Wellenlänge weggeätzt werden [Sleytr et al.

2002]. Aufgrund der geringen Dicke der S-Schicht erwartet man eine

Abbildung 2.6: S-Schichten als (a)

Substrate für Platin-

Nanokristalle bzw. (b)

Template für regelmäßige

Ferritin-Anordnung

Quelle: [Pum et al. 1999]

(b)

(a)


verbesserte Kantenschärfe des übertragenen Musters, so dass S-

Schichten als nanostrukturierende, natürliche Resistmaterialien

vorgeschlagen wurden [Pum/Sleytr 1999].

•= Eine andere Einsatzmöglichkeit bieten S-Schichten als Substrate für

nanoskalige Membranstrukturen und als molekulare Steckbretter. Ihre

verhältnismäßig leicht und spezifisch funktionalisierbare Oberfläche

ist geeignet, um z.B. Avidin, Biotin, Thiolgruppen, Enzyme,

Antikörper, DNS oder Proteine und ganze Zellen kovalent zu binden

bzw. zu immobilisieren. Außerdem lassen sich S-Schichten bau-

steinartig mit anderen biologischen Membranen, z.B. Phospholipiden,

kombinieren. S-Schichten sind daher ideal als Substrat für den

Aufbau komplexer Biomembranen geeignet. Die Steckbrettfunktion

ist insbesondere für Multi-Analyt-Biosensoren von Nutzen. Diese

Anwendungen werden in den Abschnitten 3.1 und 4.2 näher

behandelt.

2.2.42.2.42.2.42.2.4 Biomolekulare TemplateBiomolekulare TemplateBiomolekulare TemplateBiomolekulare Template

Neben den S-Schichten gibt es weitere selbstorganisierende Systeme aus

Biomolekülen wie z.B. Mizellen, Vesikel, Mikrotubuli oder auch Viren,

die als nanoskalige Template insbesondere für eine Metallisierung

(Schichtüberzug aus Metallatomen) in Frage kommen [Schnur 1993]. Die

Metallisierung kann entweder über die Gasphase oder durch Abscheiden

aus einer Metallsalz-Lösung erreicht werden. Durch Bedampfung mit

verschiedenen Metallen lassen sich z.B. aus dem stäbchenförmige Tabak-

mosaikvirus Nanoröhren aus anorganischen Materialien herstellen.

Um die Eignung als "Nanodrähte" zu testen, wurden Mikrotubuli-

Röhrchen metallisiert, indem sie zunächst durch Adsorption von Pt-

Katalysatorpartikeln aktiviert und dann durch Abscheidung aus einer

Lösung beschichtet wurden [Kirsch et. al. 1997]. Bei einem anderen

Verfahren zur Herstellung metallischer Nanostrukturen werden

absorbierte Mikrotubuli als eine Art lithografische Maske für ein Gold-

beschichtetes Glassubstrat eingesetzt, so dass nach einem Trocken-

ätzschritt metallische Goldlinien an den von Mikrotubuli maskierten

Stellen zurückbleiben. Diese "Drähte" konnten kontaktiert und ihre

elektrischen Eigenschaften gemessen werden [Fritzsche et al. 1999]. Im

Prinzip lassen sich auf diese Weise auch andere Biomoleküle als

nanoskalige Masken für Strukturierungszwecke benutzen.

Ein gravierender Nachteil der Metallbedampfung sind die Unregel-

mäßigkeit und die Dicke der abgeschiedenen Schicht (mehrere 100

Nanometer). Alternativ zu Metallbedampfungen können wesentlich

Biologische Strukturierungs-vorlagen für Metallisierungen


dünnere Metallschichten durch das Abscheiden aus Metallsalzlösungen

auf biologischen Templaten hergestellt werden. Dazu werden die

Metallsalze mit einem Reduktionsmittel reduziert, wobei sich Cluster von

Metallatomen auf dem Templat bilden. Diese wachsen durch kontrollierte

Reduktion weiter und bilden schließlich dünne Metallfilme.

2.2.52.2.52.2.52.2.5 VirusVirusVirusVirus----SubstrateSubstrateSubstrateSubstrate

Ein Beispiel für die Vielzahl der Möglichkeiten, wie sich biologische

Nanoobjekte als Substrate für Funktionalisierungen nutzen lassen, ist das

selbstorganisierende, 30 nm große, sphärische Pflanzenvirus "Cowpea

Mosaik Virus". Es ist aus 60 identischen Proteinen aufgebaut, die

reaktive Cystein-Aminosäurgruppen tragen. Durch Einfügen eines

weiteren Peptids in den Proteinaufbau wird die Cysteingruppe nach

außen befördert, ohne dass sich die Gesamtstruktur des Virus ändert. An

die Cysteine lassen sich nun funktionelle Gruppen wie Fluoreszenz-

farbstoffe, Zuckermoleküle oder Nanocluster aus Gold anhängen [Wang

et al. 2002].

Solche funktionalisierten Virus-Partikel könnten als Nanobausteine

verwendet werden oder mit metallischen Nanopartikeln gekoppelt

werden. Es gelingt auch, das Virus so zu modifizieren, dass Cystein-

Gruppen sowohl nach innen als auch nach außen weisen und damit

gleichzeitig auch der innere Hohlraum funktionalisiert werden kann.

Durch Vernetzen von funktionalisierten Virus-Einheiten lassen sich

neuartige, "programmierbare" Kompositmaterialien herstellen, deren

Anwendungsmöglichkeiten noch zu untersuchen sind.

2.32.32.32.3 BiomineralisationBiomineralisationBiomineralisationBiomineralisation

Biologische Systeme besitzen in vielen Fällen eine hochentwickelte

Kontrolle über Kristallisationsprozesse, die u.a. zum Aufbau von

Knochen und Zähnen wichtig sind. Viele Organismen können nicht nur

Kristallformen oder Kristallmodifikationen bestimmen, sondern sie

können kleinste Nanokristallite je nach Funktion zu filigranen

silikathaltigen Strukturen (z.B. Kieselalgen, Diatomeen) oder zu harten

Schalen anordnen (z.B. Muscheln). Dabei handelt es sich in der Regel

um Kompositmaterialien, die aus einem (selbstorganisiert wachsenden)

Gerüst aus bioorganischen Polymeren mit eingebetteten anorganischen

Kristalliten bestehen. In diesem Verbund erlangen diese Biomaterialien

an die Anforderungen spezifisch angepasste (mechanische) Eigenschaften

wie z.B. eine größere Bruchzähigkeit oder Härte. Das durch biologische

gezielte Materialsynthese durch Nutzung molekularer, biologischer Wachstumsprinzipien


Template auf der Nanoskala gesteuerte Wachstum kristallinen Materials

z.B. von Knochen, Schalen oder Zähnen wird in der Regel als

Biomineralisation bezeichnet [Baeuerlein 2000]. Bio-organische

Materialien wie Proteine und Lipide bilden eine Gerüststruktur aus, auf

der die Kristallite aus anorganischem Material (u.a. Hydroxylapatite,

Calciumcarbonate, Silikate, Eisenoxide) abgeschieden werden. Die

organischen Moleküle sind zusätzlich auf einer Längenskala von 1-

100 nm mit funktionellen Gruppen versehen, die als Kristallisationskeime

fungieren (z.B. Sulfat-, Carboxylat- oder Phosphatgruppen). Durch diese

Gerüststruktur wird das Wachstum einer bestimmten Kristallmodifikation

in Morphologie und Orientierung vorgeprägt. Das geschieht zum Teil

durch eine gezielte Ablösung bestimmter Proteine von dem Gerüst,

welche auch die Kristallisationskinetik beeinflusst. Im Organismus wird

außerdem die Konzentration der Lösung bzw. die Übersättigung der

abzuscheidenden Phase gesteuert. Durch kontrollierte Ablagerung

einzeln gewachsener Kristallfragmente in räumlich eng begrenzten

Kompartimenten wird makroskopisches Wachstum ermöglicht.

Obwohl die wichtigsten Mechanismen der biologischen Kristallisation

heute weitgehend identifiziert sind, ist die Biomineralisation noch längst

nicht in allen Einzelheiten verstanden. Ein wichtiges Forschungsziel für

die bessere Kontrolle des Wachstums vieler Kristalle ist die spezifische

Erkennung bestimmter Kristallflächen durch Adsorption geeigneter

Proteine, die das Kristallwachstum lenken können.

Abbildung 2.7: Konzept für Protein

gesteuerten Kristallaufbau

nach biologischem Vorbild.

Durch bifunktionale

Peptidmoleküle können

Festkörperstrukturen aus

einzelnen Bauelementen

(z.B. Nanokristallen)

aufgebaut werden.

Quelle: A.M. Belcher,

Texas Univ.;

http://www.cm.utexas.edu/


Anwendungspotential für die Umsetzung der Biomineralisationsprin-

zipien in technische Produkte findet sich nicht nur im medizinischen

Bereich (z.B. bei der Entwicklung künstlicher Knochenmaterialien). Die

relativ hohe Belastbarkeit von Knochen oder Schalen bei gleichzeitig

niedrigem Gewicht und Materialverbrauch sind auch für Konstruktions-

werkstoffe wünschenswerte Eigenschaften (vgl. [Fratzl 2002]). Ein

anwendungsorientiertes Ziel der Biomineralisationsforschung ist daher

die Aufklärung und Übertragung der nanoskaligen Strukturprinzipien auf

technische Systeme (Bionik) bzw. die Herstellung analog aufgebauter

Konstruktions- und Funktionsmaterialien. Darüber hinaus können bereits

bestimmte Biomineralisationsprozesse für die präzise Herstellung

technisch interessanter Kristalle genutzt werden.

Dieses biologische "bottom up"-Aufbauprinzip auf der Nanoskala auch

für neuartige Funktionswerkstoffe und Konstruktionsmaterialien umzu-

setzen, stellt eine Herausforderung dar, die auch mit Hilfe der Nanobio-

technologie gemeistert werden soll, indem funktionelle biologische

Materialien wie modifizierte Peptide oder spezialisierte Proteine zur

Steuerung des Wachstums von Nanokristalliten und gleichzeitig als

funktionelle Gerüststruktur eingesetzt werden.

Einige aktuelle Beispiele hierfür werden in den folgenden Abschnitten

dargestellt.

2.3.12.3.12.3.12.3.1 Ferritin für magnetische NanopartikelFerritin für magnetische NanopartikelFerritin für magnetische NanopartikelFerritin für magnetische Nanopartikel

Der ferrimagnetische Eisen-Proteinkomplex Ferritin kommt in

bestimmten biologischen Organismen vor, kann aber auch biosynthetisch

in Bakterien hergestellt werden. Er enthält einen Kern aus Eisen(III)oxid,

der in die Proteinhülle eingebunden ist (Durchmesser von Ferritin ca. 5-6

nm). Natürliches Ferritin zeigt rein ferrimagnetisches Verhalten, während

die künstlich produzierten Ferritin-Kristalle ferrimagnetische oder

antiferromagnetische Anordnungen aufweisen können. Die Perfektion

des Kristallaufbaus der biologisch gezüchteten Magnete konnte bisher

auf technischem Weg nicht erreicht werden. Solche magnetischen

Nanokristallite, die exakt definierte Domänen magnetischer Zustände

darstellen, sind für die Herstellung von Festplatten-Datenspeichern

interessant.

Die Firma NanoMagnetics Ltd.7 (Bristol, GB) hat eine Technologie

entwickelt, um mit Hilfe von veränderten Ferritin-Proteinen magnetische

Nanopartikel herzustellen, die in den Protein-Hohlräumen wachsen. Die

Kristallite zeichnen sich durch ihre thermische Stabilität und

7 www.nanomagnetics.com

Perfekt biosynthetisierte Nanokristalle für magnetische Datenspeicher


Gleichförmigkeit aus. NanoMagnetics produziert nanopartikuläre Filme,

die isolierte magnetische Körner in einer nanoskaligen, hexagonalen

Bienenwaben-artigen Kristallform enthält. Die Firma hält es für möglich,

dass mit diesem Material Festplattenspeicher mit einer Kapazität von 4,5

Terabit / inch2 entwickelt werden können (Limit für bisherige Technik:

100 Gigabit / inch2).8

2.3.22.3.22.3.22.3.2 Proteinbibliothek für HalbleiterkristalleProteinbibliothek für HalbleiterkristalleProteinbibliothek für HalbleiterkristalleProteinbibliothek für Halbleiterkristalle

Ein weiteres Beispiel für die Anwendung von Biomineralisations-

prinzipien auf der Nanoskala sind Proteine, die sich selektiv an

Kristalloberflächen anlagern. Die Arbeitsgruppe von Angela M. Belcher

(Universität Texas) konnte zeigen, dass mit löslichen, polyanionischen

Proteinen die Bildung bestimmter Kristalle kontrolliert werden kann

[Belcher et al. 1996]. Die Forscher versuchen derzeit mit einem

kombinatorischen Screening unter Einsatz von „Phage display“ (einem

biotechnologischen Protein-Testverfahren [Bains 1998], siehe Abbildung

2.8) eine Proteinbibliothek zu erstellen, in der Peptide bzw. Proteine auf

ihre selektive Affinität zu Oberflächen nicht-biologischer Materialien wie

ZnS, GaAs oder Si getestet werden [Whaley et al. 2000]. Speziell für

III-V-Halbleiter wurden Peptide gefunden, die spezifisch an bestimmte

Kristallflächen binden. Diese Resultate sollen für die Züchtung

monokristalliner Halbleiter mit definierten Eigenschaften genutzt werden.

8 Pressemitteilung "Prelude Trust Invests Further in NanoMagnetics", NanoMagnetics vom 24.01.2000

Abbildung 2.8: Phage-Display-Methode zur

Ermittlung spezifisch an

anorganische Kristall-

oberflächen bindender

Peptide

Quelle: A.M. Belcher,

Texas Univ.;

http://www.cm.utexas.edu/


Für die Vermarktung der Ergebnisse wurde die Firma „Semzyme“

gegründet [Ball 2001]. Von Bedeutung sind die Ergebnisse außer für die

Halbleiterindustrie z.B. auch für die Entwicklung von Zahn- oder

Knochenersatzmaterialien.

2.3.32.3.32.3.32.3.3 Biologische NanoreaktorenBiologische NanoreaktorenBiologische NanoreaktorenBiologische Nanoreaktoren

Anstelle von Proteinen oder Vesikeln können auch die Innenräume von

sphärischen oder röhrenförmigen Viren als eine Art Nanoreaktionsgefäß

für die Synthese nanoskaliger Partikel verwendet werden. Beispiele für

die Mineralisation von anorganischen Verbindungen in einer sphärischen

Pflanzenvirusmatrix sind verschiedene Polyoxometallate [Douglas/

Young 1999]. Der röhrenartige Tabakmosaikvirus mit einem äußeren

Durchmesser von 18 nm und einer Länge von ca. 300 nm leitet die

Mineralisation z.B. von Eisenoxyhydroxiden, Blei- bzw. Cadmiumsulfid

oder Siliziumdioxid ein. Dadurch entstehen Fasern mit einem dünnen

mineralischen Überzug, so dass der Durchmesser der Stäbchen auf 20-30

nm anwächst [Shenton et al. 1999].

2.3.42.3.42.3.42.3.4 Künstliche KristallisationsgerüsteKünstliche KristallisationsgerüsteKünstliche KristallisationsgerüsteKünstliche Kristallisationsgerüste

Ein künstliches Fasergerüst für die gerichtete Mineralisation von

Hydroxyapatiten, einem mineralischen Bestandteil von Knochen und

Zähnen, konnte durch die pH-Wert induzierte Selbstorganisation von

Peptid-Amphiphilen generiert werden [Hartgerink/ Beniash/ Stupp 2001].

Diese Nanofasermatrix nimmt für die Kristallisation die gleiche Funktion

wie Kollagenfibrillen ein. Dieser Selbstorganisationsprozess kann

reversibel durch Oxidation und Reduktion von Disulfid-Brücken

zwischen den Peptiden gesteuert werden. Die Kristallite, die zwischen

den Fasern wachsen, sind in Längsrichtung der Fasern orientiert.

Diese Struktur entspricht der niedrigsten hierarchischen Organisations-

stufe in natürlichem Knochenmaterial. Dennoch stellt die Arbeit einen

wichtigen Schritt auch auf dem Weg zu künstlicher Knochensubstanz

dar. Durch die Wahl der Aminosäuren in den Peptiden kann der

Mineralisationsprozess im Prinzip modifizert und evtl. auf spezielle

Anwendungen abgestimmt werden.

2.42.42.42.4 Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung

Für die technische Nutzung molekularer biologischer Prozesse und funk-

tioneller Biomoleküle zur Produktion von Nanostrukturen kristallisieren


sich erste Verfahren heraus, die als "nanobiotechnologisch" bezeichnet

werden können. Charakteristisch hierfür ist die Nutzung und Kontrolle

von Selbstorganisationsprozessen bestimmter biologischer Moleküle.

Mit etablierten, konventionellen top-down-Strukturierungsverfahren der

Mikro- und Nanotechnologie [Köhler 2001] wie z.B. die parallel

strukturierende Photolithografie erreicht man heute in der Computerchip-

produktion für laterale Strukturen Auflösungen bis etwa 180 nm.

Weiterentwicklungen für die Herstellung kleinerer Strukturen im sub

100nm-Bereich wie z.B. die EUV-Lithografie [Service 2001-a] sind

technisch sehr aufwendig und meist mit hohen Investitionskosten

verbunden.

Die Ausnutzung geeignet kontrollierbarer Selbstorganisationsprozesse

dürfte mehr als eine Alternative zu diesen top-down-Strukturier-

ungstechniken oder einer denkbaren, aber äußerst umständlichen

atomaren bzw. molekularen Positionierung mittels Rastersonden-

techniken darstellen. Es wurden bislang jedoch nur für bestimmte

Materialklassen geeignete, teilweise sehr unterschiedliche Selbstorgani-

sationsprozesse gefunden. Beispiele hierfür finden sich in der supra-

molekularen Chemie [Vögtle 1992], in der häufig Selbstorganisations-

prozesse für die Synthese bestimmter Strukturen genutzt werden.

Unter den nanobiotechnologischen Selbstorganisationstechniken sind

insbesondere die Hybridisierung von DNS-Molekülen bzw. Oligo-

nukleotiden und die Bildung von 2-dimensional kristallinen

Proteinschichten (S-Schichten) Gegenstand zahlreicher Untersuchungen.

Aufgrund der hohen Selektivität der Hybridisierungsreaktion liegt der

Vorteil von DNS-Molekülen in der einfachen Programmierbarkeit der

Selbstorganisation. Außerdem können DNS-Moleküle z.B. über

Thiolgruppen oder eine Biotin-Streptavidin-Kopplung an bestimmte

anorganische Oberflächen oder Partikel geheftet werden.

Die Entwicklung eines (universellen) bottom-up-Konstruktionsverfahrens

mit Hilfe von DNS zur Durchführung einer programmierbaren

Selbstorganisation stellt in jedem Fall ein lohnenswertes Forschungsziel

dar (z.B. zum Aufbau molekularer Elektronikarchitekturen, vgl.Abschnitt

7.1).

Die selbstorganisierte Bildung von speziellen Proteinschichten hat im

Vergleich dazu andere Vorteile. Zweidimensional kristalline S-Schichten

besitzen regelmäßige Porenanordnungen auf der Nanoskala. Darüber

hinaus zeichnet sie die Vielfalt der durch Rekristallisation realisierbaren

Strukturen aus. Allerdings weisen großflächige S-Schichten höchstens

auf der Mikroskala strenge Periodizität auf. Diese Eigenschaften

Nanobio- technologische Herstellungstechniken für nanoskalige Strukturen und Materialien

Programmierbare DNS-Selbst-organisation


prädestinieren die S-Schichten als vielseitig einsetzbare Substrate für

Metallisierungen und Funktionalisierung durch andere Baugruppen. Die

dabei entstehenden nanostrukturierten Metalloberflächen oder Cluster-

gitter eignen sich prinzipiell z.B. für Sensoranwendungen oder als

Katalysatoren. Solche Anwendungsmöglichkeiten sind Gegenstand

aktueller Forschungsprojekte. Nachteilig bei der Verwendung von S-

Schichten ist vor allem der hohe Herstellungsaufwand für die

biomolekularen Schichten.

Im Rahmen von Grundlagenexperimenten werden verschiedenste nano-

skalige Biomaterialien metallisiert (vgl. 2.2.4). Sie könnten prinzipiell

z.B. als Schattenmaske für Lithografie-Verfahren herangezogen werden.

Eine große Schwierigkeit besteht allerdings z.B. in der exakten tionierung

und Fixierung der Biomoleküle. Des weiteren stellt die kontrollierte

Abscheidung dünner Metallfilme ein Problem dar, so dass sich für diese

Methode kaum Anwendungspotenzial im Bereich konventioneller Litho-

grafieverfahren ergeben wird. A

Prinzipiell stellt die Metallisierung von Biomolekülen in Kombination

mit Selbstorganisationseigenschaften einen Herstellungsprozess dar, der

nanoskalige und technisch nutzbare Objekte, z.B. Nanoröhren für die

Molekularelektronik, bereitstellen kann. Die anwendungsbezogene

Brauchbarkeit muß sich jedoch erst noch im Rahmen von weiteren und

systematischen Forschungsanstrengungen erweisen.

Die Biomineralisation schließlich ist eine Methode, um biomimetisch

oder mit Hilfe von Biomolekülen, Charakteristiken bei der Bildung von

(anorganischen) Kristallen wie Form, Größe, Orientierung oder

Modifikation (bestimmter Aspekt der Kristallstruktur) zu kontrollieren.

Da viele physikalische Eigenschaften wie z.B. Piezo- oder Pyroelek-

trizität von der kristallografischen Beschaffenheit und Güte der Kristalle

abhängen, ist ein kontrollierbares Kristallwachstum für viele Anwen-

dungen in der Elektronik und Optik eine Voraussetzung. Ein anderes

Anwendungsgebiet findet sich z.B. in der pharmazeutischen Industrie, wo

Kristallisationsprozesse häufig zur Produktreinigung eingesetzt werden.

Des weiteren ist die Biomineralisation u.a. für die Medizintechnik bei der

Entwicklung künstlicher Knochen oder Zahnersatzmaterialien relevant.

Ein Großteil der Biomineralisationsforschung ist noch stark an den

Grundlagen orientiert. Die meisten experimentellen Ansätze für die

kontrollierte Mineralisation anorganischer Materialien sind biomimetisch

[Mann et al. 1993]. Sie nutzen synthetisch-organische Verbindungen

anstelle von Biomolekülen wie Peptiden oder Proteinen für die Bildung

einer Matrix mit Kristallisationskeimen bzw. zur Kontrolle der

zweidimensional kristalline S-Schichten als Template und Substrate

Biomineralisation


Geschwindigkeit des Kristallwachstums einzelner Flächen [Sedlak/

Antonietti/Cölfen 1998]. Gründe dafür sind u.a. die leichtere Hand-

habung und die bessere Verfügbarkeit solcher Moleküle. Künstliche

Fasern aus selbstorganisierenden Peptid-Amphiphilen zeigen jedoch,

dass sich auch mit biologischen Materialien die natürlichen

Mineralisierungsprozesse nachbilden lassen.

Durch die Funktionalisierung von Gerüststrukturen (z.B. mit Hilfe der

DNS-Selbstorganisationstechnik) als Kristallisationskeime, die in genau

definierten Abständen und Orientierungen an DNS-Ketten oder andere

Trägersubstanzen gebunden sein können, eröffnen sich neue

Perspektiven zur Parameterkontrolle beim Kristallwachstum speziell

anorganischer Verbindungen. Auch hier besteht noch ein hoher

Forschungsbedarf.

Biomembranen 31313131

3.3.3.3. BIOMEMBRANENBIOMEMBRANENBIOMEMBRANENBIOMEMBRANEN

Ein interessanter Anwendungsbereich für die Nanobiotechnologie könnte

sich in der Herstellung und Funktionalisierung von Membranen ergeben,

die nicht nur für die Medizin z.B. zu Dialysezwecken, sondern auch im

Umweltbereich oder für biotechnologische Produktionsprozesse von

Bedeutung sind. Die effiziente Stofftrennung mit Filtermembranen ist in

vielen technischen Anwendungsbereichen wie z.B. (chemische)

Produktion, Lebensmitteltechnik, Biotechnologie, Pharmazie oder

(industrieller) Wasseraufbereitung vertreten.

Für Biomembranen in industrieller Anwendung gibt es jedoch einige

Kriterien, die meist schwierig zu erfüllen sind:

•= die biologischen Komponenten müssen unter technischen Beding-

ungen stabil sein

•= Membranen müssen für großtechnische Mengen geeignet sein

(hinreichend hohe Durchflussraten)

•= niedrige Produktionskosten

Biofunktionalisierte Membranen, z.B. in Biosensoren, stellen ein anderes,

potenzielles Anwendungsgebiet dar. Hierbei dienen die Membranen

meist als Immobilisationsmatrix für Rezeptoren, die spezifisch auf

bestimmte Biomoleküle reagieren. Mit funktionellen Proteinen wie

Ionenpumpen könnten aber auch andere, technisch interessante Mem-

branen entwickelt werden.

Im folgenden werden einige nanobiotechnologische Forschungsarbeiten

zu solchen Anwendungsmöglichkeiten vorgestellt.

3.13.13.13.1 Membranen auf der Basis von SMembranen auf der Basis von SMembranen auf der Basis von SMembranen auf der Basis von S----SchichtenSchichtenSchichtenSchichten

S-Schichten können sowohl für Filtrationszwecke als auch für

funktionelle Membranen eingesetzt werden (siehe Abbildung 3.1). Diese

Optionen werden im folgenden erläutert.

3.1.13.1.13.1.13.1.1 SSSS----SchichtSchichtSchichtSchicht----Ultrafiltrationsmembranen (SUM)Ultrafiltrationsmembranen (SUM)Ultrafiltrationsmembranen (SUM)Ultrafiltrationsmembranen (SUM)

Konventionell eingesetzte Ultrafiltrationsmembranen, die aus amorphen

Polymeren hergestellt werden, besitzen in der Regel eine sehr breite

Porengrößenverteilung. Bessere Stofftrennungsergebnisse können mit

identischen Porenweiten erzielt werden. Dies kann mit nanobiotechno-

Technische Einsatzbereiche biologischer Membranen: Filtermembranen und funktionelle Membranen


logisch gefertigten S-Schicht-Ultrafiltermembranen (SUM) auf einem

Polymersubstrat erreicht werden. Die Poren von bakteriellen

Membranproteinen, können aufgrund ihrer Kristallinität in einem

Größenbereich von etwa 2-6 nm durch die Wahl des Proteins definiert

eingestellt werden. Solche Membranen könnten u.a. zu Dialysezwecken

oder für die Wasseraufbereitung eingesetzt werden [Sara/Sleytr 1999].

Die S-Schichten werden als Produkt eines Selbstorganisationsprozesses

auf einer porösen Trägerschicht abgeschieden (bei dieser handelt es sich

typischerweise um Mikrofiltermembranen mit i.d.R. sehr unterschied-

lichen Porenweiten). Um die Stabilität der Proteinschichten, die im

Normalfall nur durch relativ schwache Wasserstoffbrückenbindungen

zusammengehalten werden, zu erhöhen, werden die S-Schichtkristallite

mit chemischen Reagenzien kovalent zu einer mechanisch und chemisch

stabileren Matrix verbunden. Dadurch halten die S-Schichten beispiels-

weise Autoklaven-Bedingungen bei 200°C und pH-Werte zwischen 2

und 14 aus.

Die Ultrafiltermembranen wurden am Zentrum für Ultrastruktur-

forschung der Universität für Bodenkultur, Wien entwickelt. Nach 10

Jahren Forschungsarbeit gelingt es der Gruppe nun multikristalline S-

Schicht Ultrafiltrationsmembranen mit einer Fläche von 30 x 60 cm2

herzustellen.9 Die Lizenz für dieses Verfahren liegt bei der Firma

Nanosearch Membrane GmbH, einer Ausgründung des Wiener Instituts.

Der Vorteil der SUM-Poren besteht in ihrer verhältnismäßig scharfen

Durchlässigkeitsgrenze für Makromoleküle (z.B. Proteine wie Myo-

9 "S-layer Ultrafiltration Membranes exhibit precise Extrusion Values", Canon Communications LCC, 2001, http://www.devicelink.com/emdm/97/01/tnultrafilt.html

Abbildung 3.1: Querschnitt (a) einer

S-Schicht-Ultrafiltrations-

membran, die nur kleinste

Partikel durchlässt (kleine

schwarze Kreise) und (b)

einer funktionellen S-

Schicht-Biomembran mit

immobilisierten

funktionellen Molekülen

(prinzipieller Aufbau).

Quelle: nach [Sleytr et al. 2002]

S-Schicht

Monoschichtenimmobilisierterfunktioneller Moleküle

Mikrofiltermembran alsTrägerschicht (Querschnitt)

(a) Filtrationsmembran (b) Funktionelle Membran

erhöhte S-Schicht-Stabilität durch chemische Proteinvernetzung


globin) mit einem Molekulargewicht von 30-40 000 g/mol bzw. ein

Durchmesser von etwa 4-5 nm.

Für die meisten (organischen) Moleküle (kleiner als etwa 1-2 nm) ist

dieser Porendurchmesser allerdings immer noch zu groß, so dass diese

Membranen sich nicht dazu eignen, um beispielsweise Schwermetalle

oder organische Schadstoffe aus Abwässern herauszufiltern. Für Makro-

moleküle wie z.B. Enzyme oder Proteine werden jedoch scharfe

Trennungen erreicht, so dass Anwendungen in der Biotechnologie oder

Pharmazie (Produktreinigung) möglich sind [Sleytr et al. 2002]. Ein

weiterer Nachteil der Membranen ist die aufwändige Herstellung

(Biofermentatoren, schwierig zu steuernder Prozess etc.), die das Produkt

im Vergleich sehr teuer macht. Die Stabilität der Membranen ist in der

Regel ebenfalls begrenzt.

Für technische Membranen, die häufig hohen Temperaturen oder

Drücken widerstehen müssen, sind Biomaterialien in aller Regel nicht

geeignet. Nanoporöse, keramische Membranfolien werden bereits für

diese Anforderungen entwickelt, während biomolekulare Membranen

eher in niedrigeren oder mittleren Temperaturbereichen eingesetzt

werden könnten. In Konkurrenz zu anderen nanoporigen, festkörper-

basierten oder polymeren Materialien haben S-Schichten für einfache

Filtrationszwecke auf lange Sicht wenig Chancen. Ausnahmen könnten

Bereiche sein, in denen die hohe Schärfe der Trennung aufgrund der

Porenweite im nm-Bereich wichtig ist, z.B. Produktions- und Produkt-

reinigungsverfahren in der Biotechnologie oder Pharmazie. Die Funk-

tionalisierung von Filtermembranen lässt sich mit Biomembranen

ebenfalls leichter verwirklichen, so dass auch dadurch gegenüber

konventionellen Filtermaterialien (Polymere, Keramik etc.) ein gewisser

Vorteil besteht.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit stellt der Einsatz kristalliner

S-Schichten als Schutzmembran in Biosensoren zur Abtrennung des

Sensors von der Analyt-Umgebung dar (vgl. Abschnitt 4.2) [Sleytr et al.

2002]. Auch Bakterien schirmen sich mit einer solchen, relativ

beständigen Proteinschicht, die eine kontrollierte Durchlässigkeit besitzt,

gegen die Umgebung ab. Der Vorteil liegt darin, dass hierfür nur relativ

kleine S-Schicht-Membranen hergestellt werden müssten.

3.1.23.1.23.1.23.1.2 Funktionelle SFunktionelle SFunktionelle SFunktionelle S----SchichtSchichtSchichtSchicht----MembranenMembranenMembranenMembranen

Eine Anwendungsmöglichkeit für partiell metallisierte S-Schichten ist die

Herstellung funktionalisierter biomolekularer Membranen, die z.B. für

Mikroreaktoren interessant sind, um den Massentransport und chemische

Einsatzmöglichkeiten in technischen Anwendungen

Nanocluster auf S-Schicht-Substraten für Katalysezwecke


Reaktionen zu steuern. Ausgangspunkt ist dabei die Metallisierung der S-

Schichten, die sowohl über die [MW3]Gasphase (gepulste Laserdesorption)

als auch durch Abscheidung aus einer Metallionen-haltigen Lösung

durchgeführt werden kann. Indem die S-Schichten auf selektive

Adsorptionszentren begrenzt und somit nur unvollständig metallisiert

werden, bilden sich mit hoher Regelmäßigkeit angeordnete, nanodisperse

Katalysatorpartikel, die eine hohe Oberflächendichte auf der biomole-

kularen Membran besitzen. Öffnungen von typischerweise 500 nm auf

einem flachen Substrat können damit dekoriert werden. Bisher wurden

Experimente mit Platin-, Pt/C-, Palladium- oder Nickel-Metall

durchgeführt [Pompe et al. 1998].

Auch für die Immobilisierung von Proteinen in Membranen sind S-

Schichten in Kombination mit einer Doppellipidschicht verwendbar.

Diese funktionellen Biomembranen werden vor allem zur Entwicklung

von Biosensoren eingesetzt (vgl. Abschnitt 4.2).

3.23.23.23.2 Biomimetische Polymermembranen Biomimetische Polymermembranen Biomimetische Polymermembranen Biomimetische Polymermembranen

In biologischen Membranen (wie z.B. Phospholipid-Doppelschichten

oder Tetraether Lipidfilme) sind viele funktionelle Moleküle (meist

Proteine) integriert, die bestimmte Aufgaben erfüllen. Beispiele hierfür

sind Ionenkanäle, die nur bestimmte Ionen durchschleusen oder

Ionenpumpen, die an der Energieversorgung der Zellen beteiligt sind.

Auch in künstliche, selbstorganisierte Doppellipid-Membranschichten

können funktionelle Moleküle inkorporiert werden. Solche Membran-

schichten lassen sich häufig als selbstorganisierte Monolagen herstellen

(vgl. Abschnitt 2.1.1). Allerdings sind diese einfachen Membranen

mechanisch nicht sehr stabil, so dass verstärkt an stabilisierten oder

aufgetragenen Membranen geforscht wird. Wie bereits erwähnt stellen

dabei S-Schichten als Substrat eine Stabilisierungsmöglichkeit dar.

Funktionelle Membranen aus organischen Di- und Tri-Block-Copoly-

meren (DBCP bzw. TBCP) bieten eine im Vergleich zu Doppellipid-

membranen erhöhte Stabilität und Haltbarkeit. Gleichzeitig können auch

in die synthetisch erzeugten Monoschichten funktionelle Proteine

integriert werden. Diese Protein-Hybridmembranen stellen etwa 2-3 mal

dickere biomimetische Varianten von Doppellipidmembranen dar. Sie

bestehen aus einem lipophilen Mittelteil mit zwei hydrophilen

Endgruppen. Die Anordnungsmöglichkeiten für diese Moleküle, die sich

durch die Mischung mit Wasser einstellen lassen, reicht von monolagigen

Filmen über vesikelartige, sphärische Hüllen, lamellare Gele bis zu

Synthetische Membranen zur Inkorporierung funktioneller Biomoleküle


Kanalsystemen, die an die Struktur von Zeolithen erinnern [Cardin et al.

2001]. Aufgrund der amphiphilen Eigenschaften dieser Schichten können

funktionelle Proteine wie z.B. Ionenkanäle und –pumpen dauerhaft

inkorporiert werden.

Es eröffnen sich einige Anwendungsmöglichkeiten. So konnte ein

nanomechanischer, akustischer Sensor mit Hilfe des Ionenkanal-Proteins

MscL in einem 10 nm dicken TBCP-Film, der über eine Nanopore

gespannt wurde, realisiert werden, da sich der Kanal druckabhängig

öffnet und schließt. Das System ließe sich möglicherweise auch als

Aktuator in Form eines Überdruckventils für Mikrofluidiksysteme

verwenden, das bei zu großem Druck den Kanal öffnet. Vesikelartige,

sphärische TBCP-Kapseln mit speziellen biomolekularen Ionenkanälen

oder –pumpen könnten in Zukunft für die Nanopartikel-Synthese genutzt

werden [Meier 2001]. Eine weiterer Vorschlag für eine technische

Anwendung von TBCP-Membranen mit integrierten Ionenpumpen aus

Proteinen ist eine „biomimetische Brennstoffzelle" [Nardin et al. 2001].

3.33.33.33.3 Zusammenfassende BewertungZusammenfassende BewertungZusammenfassende BewertungZusammenfassende Bewertung

Biologische oder biomimetische Membranen werden von mehreren

Systemen gebildet, z.B.:

•= Doppellipidschichten

•= S-Schichten

•= biomimetische Membranen aus organischen Polymeren

Anwendungsbereiche für Biomembranen sind u.a. spezielle Filtersysteme

und Biosensoren vor allem in der Lebensmittelindustrie und im medizi-

nischen Bereich. Ein weiterer wichtiger Sektor für Filteranwendungen

wird in Zukunft die Trinkwasseraufbereitung sein.10

Doppellipidmembranen sind verhältnismässig leicht herzustellen (z.B.

durch Langmuir-Blodgett-Technik), aber relativ instabil und für Filtra-

tionszwecke ungeeignet, da sie keine Poren besitzen. Durch Funktionali-

sieren der Membran mit geeigneten Biomolekülen (z.B. spezifischen

Ionenkanälen oder –pumpen) könnten spezielle Membranen für

komplexe Aufgaben konstruiert werden. Ein Beispiel für eine Funk-

10 Business Communications Corporation (BCC) geben in "Membrane & Separation Technology News" vom 19.09.1999 für die kommenden 20 Jahre ein Marktvolumen für Trennmembranen von insgesamt ca. 70 Mrd. USD in den USA und für die Hauswasserversorgung 1999 in Japan 700 Mio. USD an.


tionalisierung einer Doppellipidmembran mit zwei Proteinkomplexen in

einem Liposom findet sich in Abschnitt 5.1.1.

Selbstorganisierte S-Schichtmembranen sind in der Regel schwierig

herzustellen und damit sehr teuer. Sie müssen außerdem häufig durch

geeignete Substrate stabilisiert werden (z.B. Aufbringen auf eine

Polymermembran). Auch stellt die Übertragung von Labormaßstäben in

technische Dimensionen ein nicht-triviales Problem dar. Vorteilhaft ist

die sehr enge Porenverteilung, die eine sehr gute Trennwirkung für

verhältnismäßig große Moleküle bzw. Molekülaggregate (Porendurch-

messer einige nm) ermöglicht. Zwar sind die S-Schichten höchstens auf

der µm-Skala wirklich periodisch angeordnet, allerdings fällt dies bei

Membrananwendungen nicht so sehr ins Gewicht wie für Strukturierung-

en mit Nanopartikeln.

Ein weiteres Hindernis im Hinblick auf eine technische Anwendbarkeit

besteht in der Bioabbaubarkeit und damit in der Langzeitunbeständigkeit

der biologischen Materialien (Proteine), die im Prinzip mit der von

verschiedenen Lebensmitteln (d.h. von Wochen bis Monate bei

entsprechenden Vorkehrungen und Bedingungen wie niedrige Tempera-

turen, Sauerstoffausschluss, Konservierungsmittel etc.) vergleichbar ist.

Ein großes Potenzial von S-Schichten als membranartige Gerüststruktur

liegt auch in der gezielten Immobilisierung funktioneller Biomoleküle an

der Oberfläche bzw. in den Poren. Auf diese Weise könnten funktionelle

Membranen mit Sensor/Aktuator-Wirkung realisiert werden, die

Lösungsmittelmoleküle durchlassen, aber gleichzeitig etwa mit bestim-

mten gelösten Stoffen reagieren, oder aber auch über Ionenpumpen den

transmembranen Stofftransport steuern bzw. einen Gegengradienten

aufbauen.

In Konkurrenz zu anderen nanoporigen, festkörperbasierten oder

polymeren Materialien haben S-Schichten für Filtrationszwecke auf

lange Sicht wohl wenig Chancen.11 Ausnahmen könnten Bereiche sein, in

denen die hohe Schärfe der Trennung im nm-Bereich wichtig ist, z.B.

Produktions- und Produktreinigungsverfahren in der Biotechnologie oder

Pharmazie. Damit lassen sich aber nur sehr große Moleküle erfassen,

während die meisten (organischen) Moleküle ungehindert passieren.

Wegen der genannten Stabilitätsnachteile und des Herstellungsaufwandes

von biologischen S-Schichtmembranen wird die Entwicklung mittelfristig

11 Es gibt beispielsweise hochtemperatur- und –druckbeständige, keramische Nanopar-tikel- bzw. nanoporöse Membranen. Sie können vergleichsweise günstig und im großen Maßstab hergestellt werden.

S-Schichtmembranen


von den rein biologischen Modellsystemen zu biomimetischen

Membranmaterialien wie Di- und Triblockcopolymeren gehen. Diese

vereinen die Vorteile der technisch gut kontrollierbaren und preis-

werteren Herstellung, sowie einer höheren Stabilität. Gleichzeitig

erlauben sie wie biologische Doppellipidmembranen den Einbau funktio-

neller Biomolekülen. Mit Hilfe der Nanobiotechnologie könnten in

Zukunft Verfahren entwickelt werden, um Membranen maßzuschneidern

und zu funktionalisieren. Dies stellt ein neues, spannendes Forschungs-

gebiet dar, in dem noch erheblicher anwendungsbezogener Forschungs-

bedarf besteht.


4.4.4.4. BIOBASIERTE SENSOREBIOBASIERTE SENSOREBIOBASIERTE SENSOREBIOBASIERTE SENSORENNNN

Biosensoren sind in vielen technischen Bereichen einsetzbar. In der

Umwelttechnik will man beispielsweise Schadstoffe und mikrobiolo-

gische Bestandteile in Abwässern detektieren. Mit Hilfe von Biosensoren

werden zuverlässige Systeme angestrebt, die eine automatische Überwa-

chung ermöglichen. In anderen Bereichen wie beispielsweise in der

Lebensmitteltechnik wird intensiv an der Entwicklung "künstlicher

Nasen" geforscht, die viele Substanzen simultan erfassen und zuverlässig

identifizieren können, um z.B. festzustellen, ob eine Ware verdorben ist.

Auch bei Produktionsverfahren können Biosensoren helfen, den Prozess-

ablauf oder die Emission organischer Schadstoffe zu überwachen. In der

Pharmazie dienen sie auch zur Überprüfung der Keimfreiheit oder

Produktreinheit von Medikamenten. Im medizinisch/diagnostischen

Bereich finden sie z.B. zur Bestimmung des Glucosegehaltes im Blut bei

Diabetes Einsatz.

Ein Biosensor besteht aus einem (Affinitäts-) Rezeptor, der nach dem

Schlüssel-Schloss-Prinzip funktioniert, und einer Signalwandler-Kom-

ponente (Transducer). Beispiele für (makro-) molekulare, biologische

Rezeptoren, die auf der Affinität zu bestimmten Zielmolekülen basieren,

sind Enzyme, Antigene, Antikörper, Rezeptoren, und Nukleinsäuren.

Außerdem können ganze Zellen, Zellorganellen, Bakterien oder Mikro-

organismen verwendet werden, um ein Erkennungsereignis zu detek-

tieren. Immunosensoren beruhen z.B. auf Antigen-Antikörper-Wechsel-

wirkungen, die in optische oder elektrische Signale umgewandelt werden.

In der Regel liefert ein physiko-chemischer Signalwandler ein analytisch

verwertbares Signal (hauptsächlich in optischer oder elektrischer Form),

das proportional zur Konzentration des Analyten ist.

Im Prinzip können geeignete biologische Moleküle auch als kombinierte

Rezeptor-Signalwandler-Einheiten eingesetzt werden. Wichtig für

physikalische bzw. optische Detektionsverfahren, die auf kleinste

Veränderungen an der Sensoroberfläche reagieren, wie Evaneszenzfeld-,

Oberflächenplasmon- (SPR) und Oberflächen-Akustische Wellen

(SAW)-Spektroskopie ist ein möglichst geringer Abstand zur

Detektoroberfläche. Daher sind ultradünne Schichten, speziell

selbstorganisierte Monolagen, die eine gute Anbindung der biologischen

Rezeptoren ermöglichen, besonders wichtig.

Im folgenden werden einige Beispiele für Biosensoren mit Bezug zur

Nanobiotechnologie dargestellt.

Biosensoren in der Umweltanalytik, Lebensmittel- und Biotechnologie

Biobasierte Sensoren 39393939

4.14.14.14.1 Beispiel für einen biomolekularen, Beispiel für einen biomolekularen, Beispiel für einen biomolekularen, Beispiel für einen biomolekularen, chemomechanischen Sensorchemomechanischen Sensorchemomechanischen Sensorchemomechanischen Sensor

Das sogenannte allosterische "Maltose-bindende Protein", das seine

Konformation ändert, sobald ein spezifisches Molekül (hier die Maltose)

an das Protein bindet, ist ein Beispiel für ein Proteinsystem, das

reversibel auf chemische Veränderung reagiert. Dieses Prinzip wurde bei

Bakterien entdeckt, die solche Proteine als Sensoren einsetzen, um

Zuckerquellen aufzuspüren. Dem Forscherteam um H.W. Hellinga vom

Duke Medical Center ist es gelungen, das isolierte Protein über einen

biomolekularen Anker und eine Komplexierung mit Nickel an eine

selbstorganisierte Monoschicht auf einer Goldelektrode zu binden

[Benson et al. 2001]. In das Protein wurde an einer bestimmten Stelle

eine redoxaktive Rutheniumgruppe eingefügt, so dass diese durch die

hervorgerufene Strukturänderung (eine Knickbewegung in der Mitte des

Proteins wie bei einem Scharnier) von einer relativ oberflächennahen

Position in eine weiter entfernte Stellung gebracht wird (vgl. Abbildung

4.1). Der Abstand der Rutheniumgruppe von der Elektrodenoberfläche

lässt sich als elektrochemisches Signal detektieren.

Der Mechanismus ist für die Entwicklung eines Biosensors nutzbar, um

die Konzentration von Maltose im mikromolaren Bereich zu bestimmen.

Die hohe Adaptionsfähigkeit des Sensors wurde auch durch die

Entwicklung eines Glukose-Sensors für die Messung im Blutserum

demonstriert, der nach dem gleichen Prinzip mit chemisch veränderten

Proteinen arbeitet. Es lässt sich aus dem Protein sogar ein Zink-Detektor

konstruieren.12 Das zugrundeliegende Redoxgruppen-Prinzip müsste auch

auf andere Rezeptormoleküle und –proteine übertragbar sein, so dass sich

auch Sensoren für andere Substanzen entwickeln lassen sollten.

4.24.24.24.2 Sensoren auf Basis von SSensoren auf Basis von SSensoren auf Basis von SSensoren auf Basis von S----SchichtenSchichtenSchichtenSchichten

Wie in Abschnitt 2.2.4 bereits erwähnt lässt sich das nanoskalige Raster,

das die Poren der S-Schichten bilden, als Templat für eine kontrollierte,

regelmäßige Anordnung von Nanopartikeln wie Metall- oder Halbleiter-

cluster nutzen. Außerdem eignet sich die Proteinoberfläche auch zur

Immobilisierung funktioneller Biomoleküle, die als Rezeptoren in

Sensoren fungieren können. Da die chemischen und elektronischen

Eigenschaften von Clustern bzw. Nanopartikeln extrem sensibel auf ihre

12 "Report: Proteins can be engineered as widely adaptable "boielectronic" sensors", Duke News Service, Duke University, 30.8.2001

Abbildung 4.1: Funktionsprinzip des

Proteinsensors. Das über

einen Nickelkomplex an

eine elektrisch leitfähige

Substratoberfläche gebunde

Protein (hellgrau) mit einer

Redoxgruppe (dunkelgrauer

Kreis) durchläuft durch die

Reaktion mit dem Analyt

(mittelgraue Raute) eine

Konformationsänderung.

Dadurch vergrößert sich der

Abstand der Redoxgruppe

zum Substrat, der elektrisch

detektiert werden kann.

Quelle: nach [Benson et al. 2001]

Analyt


Umgebung reagieren, liegt eine sensorische Anwendung dieser

Charakteristik nahe.

Die periodische Anordnung ermöglicht einerseits eine dichte Anordnung

vieler Sensormoleküle und andererseits eine einfache Kalibrierung dieser

(im Prinzip) gleichwertigen Meßpunkte. So könnten z.B. Veränderungen

der kollektiven Eigenschaften der Anordnung in Abhängigkeit

adsorbierter Substanzen gemessen werden. Als Techniken hierfür bietet

sich Oberflächen-Resonanz akustischer Wellen oder bei metallisierten

Schichten auch optische Methoden wie Evaneszenzfeld und Oberflächen-

plasmonenresonanz an.

Die Strukturdichte solcher Anordnungen liegt mit ca. 1012 Cluster/cm2

um mehrere Größenordnungen über den gegenwärtig in der Mikro-

elektronik verwendeten [Mertig et al. 1999]. Mit solchen Clusterarrays

sollen z.B. selektive Gassensoren realisiert werden, die mit verschiedenen

physikalischen Verfahren auslesbar sind. Für Hochtemperaturanwen-

dungen, bei denen die S-Schichtproteine natürlicherweise denaturiert

würden, muss die S-Schicht wieder entfernt werden und dient somit

lediglich als Hilfsmittel für die Präparierung dichter Clusteranordnungen.

Wie sich dadurch die Eigenschaften der Clusteranordnungen ändern, ist

derzeit noch Forschungsgegenstand. Ansonsten ist die S-Schicht jedoch

als Strukturstabilisator erwünscht bzw. stört die Funktion nicht.

Für die Konstruktion von Biosensoren ist die kontrollierte

Immobilisierung von Rezeptormolekülen eine wichtige Voraussetzung

[Turner/Karube/Wilson 1987]. Deshalb wird der Einsatz von S-

Schichtsubstraten für die Entwicklung amperometrischer und optischer

Biosensoren zur Detektion einer Vielzahl von Makromolekülen geprüft.

Zur Herstellung einer Sensorschicht wurden Enzyme kovalent an S-

Schichtfragmente oder S-Schicht-Selbstorganisationsprodukte gebunden

und danach auf einem porösen Festkörpersubstrat (z.B. polymere

Ultrafiltrationsmembranen) adsorbiert.

Bei den amperometrischen Sensoren wird eine dünne Goldschicht für den

elektrischen Kontakt auf die Sensorschicht aufgebracht [Neubauer/

Pum/Sleytr 1993, Neubauer et al. 1994]. Für die optische Detektion von

biochemischen Reaktionen hingegen wurde die Sensorschicht direkt auf

die Spitze einer optischen Faser gesetzt [Neubauer et al. 1996]. Ein

biobasierter Sensor, der mit Infrarot-Strahlung arbeitet, konnte durch die

Rekristallisation von S-Schichtproteinen unmittelbar auf dem zylindri-

schen Teil einer infrarot-transparenten Faser und einer anschließenden

Beschichtung mit einem Enzym hergestellt werden [Taga et al. 1993].

Mit Hilfe des Evaneszenzfeldspektrums konnte die Konzentration der

nanostrukturierte Clusteranordnungen als Sensoren

S-Schicht-Biosensoren Immobilisierung funktioneller Moleküle

Biobasierte Sensoren 41414141

chemischen Reaktionsprodukte bestimmt werden. Die Größe der

Sensorelektroden lag zwar im Millimeterbereich, aber die

Immobilisierung biologischer Rezeptoren mit S-Schichten bietet weiteres

Miniaturisierungspotenzial.

Darüber hinaus eignen sich S-Schichten hervorragend als Immobilisa-

tionsmatrix für Enzyme, Antikörper oder Bakterien usw., die die

eigentliche Sensorfunktion tragen und in vielen Biosensoren eingesetzt

werden. Derartige, hochsensible Sensoren könnten z.B. speziell für den

Einsatz in der Umweltanalytik (Schwermetallhaltige Industrieabfälle,

geologische Abwässer), Lebensmittelanalytik oder als Biosensor für

Hochdurchsatz-Analyseverfahren entwickelt werden. Eine Übersicht über

einige Biosensoren, die auf Basis von S-Schichten zur Immobilisierung

verschiedener Enzyme entwickelt wurden, und deren mögliche

Anwendungsgebiete, die naturgemäß hauptsächlich im Life-Science-

Bereich liegen, gibt die nachfolgende Tabelle 4.1 [Sleytr et al. 2002].

Sensor Typ immobilisierte Enzyme potenzieller

Anwendungsbereich Monoenzym Schicht Glucose Glucose-Oxidase Medizin Ethanol Alcohol-Oxidase Medizin Xanthin Xanthine-Oxidase Lebensmitteltechnologie Multienzym Schicht Maltose Maltase und Glucose Oxidase Biotechnologie Sucrose β-Fructosidase, Mutarotase,

Glucose Oxidase=Biotechnologie

Cholesterol Cholesterol Esterase und Cholesterol Oxidase

Medizin

Tabelle 4.1: S-Schicht-Biosensoren


Nach wie vor besteht Bedarf für die Steigerung der Leistungsfähigkeit

von Biosensoren, insbesondere im Hinblick auf Sensitivität und eine

simultane Multianalyt-Detektion. Durch den nanobiotechnologischen

Einsatz funktioneller Biosysteme (wie z.B. signalwandelnde Proteine

oder membranbildende S-Schichtproteine) könnten solche Verbesser-

ungen erzielt werden.

Probleme, die eine technische Anwendung zur Zeit noch erschweren,

sind die Haltbarkeit von S-Schichten und die Handhabung einzelner

Sensormoleküle sowie deren Kontaktierung. Proteine und Enzyme sind

an Luft normalerweise nicht sehr lange beständig. Allerdings könnten,

wie bereits praktiziert, z.B. Sensorträger oder Teststreifen in einer

Probleme für technische Einsetzbarkeit


luftdichten Verpackung aufbewahrt und nur für den einmaligen

Gebrauch genutzt werden.

Insbesondere Sensorentwicklungen für Anwendungsbereiche außerhalb

der Life-Sciences, bei denen eine Biokomponente auf der Nanoskala

eingesetzt wird, sollten grundsätzlich mit etablierten Sensorsystemen

(hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Haltbarkeit bzw. Stabilität und

Produktionskosten) verglichen werden.

S-Schichten eignen sich gut zur Immobilisierung von Enzymen und

Antikörpern, die für Biosensoren eingesetzt werden können. S-Schicht-

Biosensoren wurden als Labormuster bereits für verschiedene Analyte in

der Medizin, Lebensmittel- und Biotechnologie entwickelt, allerdings

bisher nicht marktfähig umgesetzt.

Hochsensible Biosensoren und speziell Biochip-Analysesysteme werden

in erster Linie für medizinische Zwecke entwickelt. Dort besteht der

zentrale Bedarf und der größte Marktanteil, wodurch folglich auch mehr

Forschungsgelder fließen.13

Wie bereits erwähnt, wird der Life-Science-Bereich jedoch erst in der

nachfolgenden Technologieanalyse näher thematisiert.

Biosensoren, die auf technisch relevante Substanzen wie Gase oder

Schwermetalle reagieren, sind bisher nicht entwickelt worden und

aufgrund der mangelnden Stabilität von Biomolekülen in technischen

Umgebungen auch schwer zu realisieren. Die Verwendung von S-

Schicht-Templaten zur Präparation dichter Clusteranordnungen, welche

ebenfalls als Sensor dienen sollen, ist ein interessanter Ansatz, bei dem

nicht die biologische Funktion des Moleküls sondern die nanoskalige

Geometrie der Anordnung und die Funktionalisierbarkeit der Proteine

genutzt wird. Wenn es ohne größere Probleme gelingen sollte, die S-

Schichtproteine unter Erhalt der Clusteranordnung zu entfernen, wären

auch stabile Sensoren für höhere Temperaturbereiche möglich. Hierfür

sind noch weitere Forschungsanstrengungen erforderlich.

13 Die Schätzungen für das weltweite Marktvolumen von Biochips gehen allerdings weit auseinander. Frost&Sullivan: ca. 3,3 Mrd. USD für 2004; P. Evers, Clinca Report (“Biochips and microarrays”, 20.11.2000, PJB Publications Ltd.): 0,95 Mrd. USD; Line Strategic (nur für DNA-Chips) 0,455 Mrd. USD für 2002)

Energieerzeugung und -umsetzung 43434343

5.5.5.5. LICHTENERGETISCHELICHTENERGETISCHELICHTENERGETISCHELICHTENERGETISCHE PROZESSE PROZESSE PROZESSE PROZESSE

Verglichen mit dem industriellen Aufwand in der Energietechnik, z.B.

zur Stromerzeugung mit Kraftwerken, hat die Natur viel elegantere

Lösungen gefunden, die biologische Organismen mit Energie versorgen.

Sonnenlicht wird mit Hilfe der Photosynthese14 hauptsächlich in Pflanzen

und Bakterien in chemische Energie umgewandelt, also in verschiedenen

chemischen Verbindungen gespeichert. Durch Nahrungsaufnahme

können wiederum andere Organismen aus diesen energiereichen Stoffen

ihre Energie beziehen. Dabei fällt zwar auch eine große Menge

"biologischer Abfall" an, der jedoch in das Ökosystem eingebunden ist

und auf natürliche Weise wieder abgebaut bzw. in den Kreislauf

zurückgeführt werden kann. Es ist verlockend, dieses Potenzial der Natur

auszuschöpfen. Dafür müssen die Mechanismen zunächst verstanden und

die biologischen Prozesse an technische Bedingungen angepasst werden.

Mit Hilfe der Methoden, die in der Nanobiotechnologie entwickelt

werden, ist es vielleicht sogar möglich, die biologischen Systeme für

technische Bedürfnisse zu optimieren und ihre Leistungsfähigkeit zu

erhöhen.

5.15.15.15.1 Teilschritte einer künstlichen PhotosyntheseTeilschritte einer künstlichen PhotosyntheseTeilschritte einer künstlichen PhotosyntheseTeilschritte einer künstlichen Photosynthese

Derzeitige Forschungsanstrengungen zur Nutzung der Photosynthese

natürlicher Organismen basieren auf der rein biotechnologischen

Verwendung von (genetisch modifizierten) Algen und Mikroorganismen.

Die Umsetzung des Prinzips in künstliche Systeme steht noch aus. Erste

Ansätze sind in biomolekularen Lichtsammelanlagen zu sehen, in denen

dieser Teil der biologischen Photosynthese nachgeahmt wird. Ebenso

gehört die lichtgetriebene Produktion von ATP-Molekülen (Adeno-

sintriphophat) als Energieträgern zu den Umsetzungsversuchen.

14 Die Photosynthesereaktion ist der elementare Schritt bei der Energieumwandlung in der Natur. Bei der Photosynthese der Pflanzen werden in einem komplexen Zusammenspiel vieler Reaktionen, die bis heute noch nicht vollständig aufgeklärt sind, CO2 und Wasser mit Hilfe von Licht in einem Gesamtsystem, das zwei sogenannte Photozentren (Photosystem I und II) und einen Antennenkomplex in der Zellmembran enthält, zu Zuckermolekülen umgesetzt. Der Antennenkomplex, der Chlorophyll-moleküle enthält, um eintreffende Lichtquanten extrem schnell an das Reaktionszentrum weiterzuleiten, dient zur effizienten Ausnutzung der solaren Energie. Dabei liegt der theoretische Wirkungsgrad der Photosynthese-Lichtreaktion unter idealen Bedingungen bei 34 %. Die Energie wird danach in einer ganzen Kaskade von photochemischen Reaktionen weitergeleitet, wobei sie in verschiedenen chemischen Stoffen zwischen-gespeichert wird (Gesamtwirkungsgrad der Photosynthese ca. 2 %).

44444444 Nanobiotechnologie I:Grundlagen und Anwendungen

5.1.15.1.15.1.15.1.1 künstliche Antennensystemekünstliche Antennensystemekünstliche Antennensystemekünstliche Antennensysteme

Bei der natürlichen Phototsynthese wird durch ein dichtes Netz von

photoaktiven Molekülen (Chromophoren) die Energie eintreffender

Photonen sofort zu einem Reaktionszentrum weitergeleitet. Durch

Nachbildung solcher biologischer Antennensysteme hoffen Forscher, für

technische Anwendungen effiziente Lichtsammelsysteme entwickeln zu

können, um eine solare Energieversorgung zu ermöglichen.

Durch die Kombination von Zinkchlorin und einer Fulleren-Bacterio-

chlorin-Verbindung in Wasser konnte am MPI für Strahlungschemie in

Mülheim/Ruhr die multiple Funktion als Lichtempfänger, Elektronen-

spender und Elektronenempfänger nachgeahmt werden [Tamiaki et al.

1996]. Zinkchlorine schließen sich, ähnlich wie Bacteriochlorine in der

Natur, zu stäbchenförmigen Anordnungen zusammen, absorbieren Licht

und leiten dessen Energie an den Fulleren-Bacteriochlorin-Komplex

weiter, welcher sich in die Zinkaggregate integrieren läßt [Miyatake et al.

1999]. Das Bacteriochlorin empfängt die Lichtenergie von der

Zinkchlorin-Verbindung und leitet sie an das Fulleren in Form eines

Elektrons weiter. Dieses System könnte, analog zur pflanzlichen

Photosynthese, energiereiche Reaktionsprodukte liefern, wenn mit dem

Fulleren eine weitere Reaktionskette initiiert würde. Es liesse sich z.B.

auch benutzen, um quasi als Schalter chemische Prozesse zu initiieren

oder unter Dauerlichteinwirkung photochemische Reaktionen zu

katalysieren.

Die farbtragenden, photoaktiven Bestandteile (Chromophore) der

Lichtsammelanlagen sind in natürlichen Systemen durch Selbst-

organisation zu Aggregaten in einer Proteinmatrix angeordnet. Da die

kovalente Verknüpfung von Chromophoren mit zunehmender

Komplexität ein immer schwierigeres Unterfangen wird, nutzen Forscher

des MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung unter Leitung von H.

Möhwald eine einfachere Art der Selbstorganisation: eine schichtweise

(layer-by-layer) Selbstorganisation von gegensätzlich geladenen

Polyelektrolyten. Dabei bilden sich Mikrokapseln mit großer Oberfläche,

deren Hüllen schichtweise aus verschiedenen Molekülen zusammenge-

setzt werden können. Auf diese Weise ist es möglich, photosensitive

Schichten z.B. aus vier unterschiedlichen, photoaktiven Molekülen zu

synthetisieren, die einen gerichteten, stufenweisen Transfer von

photonisch angeregten Elektronen senkrecht zur Hülle zum Reaktions-

zentrum ins Innere der Kapsel bewirken. Durch Beschichten der Hülle

mit unterschiedlichen Chromophoren kann auch stufenweiser, lateraler

Fulleren-Bakteriochlorin-Komplexe als Lichtsammelanlagen

biomimetische, photo-aktive Systeme


Energietransfer erreicht werden und das Absorptionsspektrum verbreitert

werden [Dai/Dähne/Möhwald 2001].

Eine andere Möglichkeit, ein künstliches, von der Natur inspiriertes

Antennensystem nachzubilden, besteht in der Verwendung von Zeolithen

mit Röhrenkanälen, in die Farbstoffmoleküle (ähnlich den Porphyrin-

systemen in Chlorophyll) dicht gestapelt, aber ohne direkte Wechselwir-

kung untereinander eingebracht werden [Pauchard/Devaux/Calzaferri

2000]. Dies ermöglicht schnellen, photoinduzierten Tranfer von

Elektronen durch den Zeolithen, die am Ende der Kanäle abgefangen

werden können.

Auch langgestreckte Anordnungen aus Imidazolporphyrin-Komplexen

besitzen die Fähigkeit, photoelektrisch angeregte Elektronen als

künstliche Lichtsammelantennen über große Entfernungen zu transpor-

tieren [Ogawa/Yobuke 2000].

5.1.25.1.25.1.25.1.2 Lichtgetriebene ATPLichtgetriebene ATPLichtgetriebene ATPLichtgetriebene ATP----ProduktionProduktionProduktionProduktion

In Form von transmembranen Protonengradienten kann die Energie bei

der Photosynthese von Bakterien zwischengespeichert werden und dient

z.B. zur Produktion von ATP-Molekülen.

Ein photosynthetisches System lässt sich in der Doppellipidschicht eines

Liposoms realisieren. Es besteht aus einer Kombination eines

Lichtsammelsystems (einer die Membran durchspannenden Triade von

Karotin-Porphyrin-Naphthochinon-Molekülen Q-P-C, siehe Abbildung

5.1) mit F0-F1-ATP-Synthase-Einheiten, die als Protonenpumpe bzw. zur

katalytischen ATP-Produktion dienen [Steinberg-Yfrach et al. 1998]. Das

Innere des Liposoms ist mit Wasser gefüllt. Der F1-Kopf der ATPase

befindet sich auf der anderen Seite der Membran. Lichteinfall bewirkt

eine Ladungstrennung in der Karotin-Porphyrin-Naphthochinon-Kette,

wobei die Chinongruppe ein Radikalanion an der Außenseite und das Abbildung 5.1: Zum Funktionsprinzip

eines photosynthetisch

arbeitenden Liposoms.

Doppellipidmembran mit

Q-P-C-Molekültriade und

F1ATPase-

Protonenpumpen.

Quelle: Arizona State Univ.;

http://photoscience.la.

asu.edu/bionano/

research5.htm


Karotin ein Radikalkation an der Innenseite der Membran bildet. Durch

Elektronentransfer auf lipophile Chinonmoleküle, die sich ebenfalls in

der Liposom-Membran befinden, wird das Chinon unter Aufnahme eines

Protons an der Membranaußenseite zu einem Hydrochinon reduziert.

Dieses wird wieder zur Innenseite der der Membran transportiert, wo das

Hydrochinon oxidiert und deprotoniert wird. Auf diese Weise erhöht sich

die Protonenkonzentration im Inneren des Liposoms. Der so entstehende

Protonengradient treibt die F0F1-ATPase-Pumpe an und bewirkt an der

Membranaußenseite die katalytische Bildung von ATP aus ADP und

freien Phosphationen. Die Bestrahlung dieser künstlichen, photo-

synthetischen Membran mit sichtbarem Licht liefert ATP

(Quantenausbeute von ca. 7 %).

Mit einem ähnlichen System ist es gelungen, die ATP-Produktion mit

einem ATP getriebenen biomolekularem Linearmotorsystem zu koppeln

[Hess et al. 2001]. Dabei schwammen die ATP-produzierenden Vesikel

frei in einer Pufferlösung herum. Die photochemisch aktive Komponente

ist dabei Bakteriorhodopsin, das gemeinsam mit F0-F1-ATP-Synthasen in

eine Liposommembran integriert werden kann.

Bei natürlichem Bakteriorhodopsin handelt es sich um ein dem mensch-

lichen Sehpurpur verwandtes Retinal-Protein, das im Photosynthese-

apparat des in Salzmarschen lebenden Bakteriums Halobacterium salinarum vorkommt. Das Retinal stellt dabei die funktionstragende

(lichtabsorbierende, chromophore) Molekülgruppe dar. Der Bakteriorho-

dopsin-Proteinkomplex befindet sich in der kristallinen Purpurmembran,

einer Monoschicht [g4]aus regelmäßig angeordneten Bakteriorhodopsin-

Molekülen und Lipiden. Das Protein hat die Funktion einer Licht

getriebenen Protonenpumpe, die Wasserstoffionen (Protonen) durch die

Zellmembran transportiert. Mit diesen Protonen wird eine F1-ATP-

Abbildung 5.2: Vision eines nanoelektro-

mechanischen Systems

(NEMS) mit verschiedenen

Funktionseinheiten, die von

einer ATP-produzierenden

Kombination aus einer

F1-ATPase und einer in die

Membran integrierten

Lichtumwandlungsantenne

besteht

Quelle: D. Gust, Arizona State

Univ.;

http://photoscience.la.asu. edu/bionano/research5.html

Bakteriorhodopsin: lichtgetriebene Protonenpumpe und ATP-Lieferant


Synthase angetrieben, die ATP-Moleküle als Energieträger für den

Organismus synthetisiert. Zu den ersten Anwendungsvorschlägen für

Bakteriorhodopsin gehörte neben der Meerwasserentsalzung [Oesterhelt

1976, Hind/Mills 1980] die unmittelbare Energieumwandlung von

Sonnenlicht in chemische Energie oder Strom [Eisenbach et al. 1977].

Für die vorgeschlagene Anwendung zur Entsalzung von Meerwasser ist

auch ein dem Bakteriorhodopsin verwandtes Protein, das Halorhodopsin,

sehr interessant. Es funktioniert als Licht getriebene Chloridionenpumpe

[Hampp 2000b].[g5]

Die Kombination des Bakteriorhodopsin-Photosystems mit einer ATP-

Synthase in der Membran eines Liposoms stellt eine Möglichkeit für die

direkte Umwandlung von Licht in chemische Energie dar. Eine makro-

skopische Purpurmembran aus dicht-gepackten Proteinkomplexen, die

die selektive Diffusion der Anionen zum Ladungsausgleich durch

entsprechende Trägermoleküle ermöglicht, wäre daher prinzipiell für die

direkte Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie geeignet.

Allerdings befindet sich diese Entwicklung aufgrund der großen

Schwierigkeit, das Verfahren hochzuskalieren, noch in einem sehr

grundlagenorientierten Forschungsstadium. Ein weiteres Problem ist die

erforderliche, gleichmäßige Ausrichtung der Bakteriorhodopsin-

Moleküle über eine große Fläche, damit der photoelektrische Effekt

nutzbar ist.

5.25.25.25.2 Biomimetische Photovoltaik (GrätzelBiomimetische Photovoltaik (GrätzelBiomimetische Photovoltaik (GrätzelBiomimetische Photovoltaik (Grätzel----Zelle)Zelle)Zelle)Zelle)

Die Farbstoff-Solarzelle, die sogenannte Grätzel-Solarzelle (auch als

biomimetische Solarzelle oder Bio-Solarzelle bezeichnet), ist benannt

nach ihrem Erfinder M. Grätzel von der TU Lauseanne (CH)

[O'Regan/Grätzel 1991]. Sie beruht auf dem Prinzip der Photosynthese,

in der das Licht durch eine dichte Anordnung von komplexen

Farbstoffmolekülen absorbiert und Elektronen an das Reaktionszentrum

weitergeleitet werden. Bei der Grätzel-Zelle wird ein Farbstoff benutzt,

der ausgehend von biologischem Chlorophyll (ein Phthalocyanin)

chemisch optimiert wurde, um die Lichtquanten einzufangen. Bei den

optimierten Farbstoffmolekülen handelt es sich um Osmium- oder

Ruthenium-Polypyridinkomplexe, die wesentlich langlebiger (mehr als

50 Mio. Photozyklen) als Chlorophyll sind. Die Farbstoffmoleküle sind

auf einem Film aus TiO2-Nanokristalliten adsorbiert, der eine sehr große

aktive Oberfläche bietet. Der Elektrolyt der Solarzelle ist eine Iod-Iodid-

integriertes nanobio-technologisches System: Liposome mit Bakteriorhodopsin


Mischung15, die den Ladungstransport zu den Elektroden aus Platin

bewerkstelligt.

Mit optimierten Zellen können Wirkungsgrade bis zu 10 % erreicht wer-

den. Der größte Vorteil der Grätzelzelle sind die niedrigen Herstellungs-

kosten. Außerdem arbeitet die Solarzelle auch bei diffusem Lichteinfall

ausreichend effizient. Dadurch hat sie bei der Industrie großes Interesse

geweckt. Unter anderem arbeitet Toshiba in Japan und GreatCell S.A. in

Lauseanne (eine Tochterfirma von Leclanché S.A.) an der Weiter-

entwicklung der Farbstoff-Solarzelle. Darüber hinaus erscheint die Solar-

zelle transparent und öffnet damit einen Weg zur Entwicklung von

selbstabdunkelnden Fenstern (sogenannten "smart windows"), die bei

starker Sonneneinstrahlung Strom liefern und gleichzeitig sich durch das

bei der Reaktion gebildete Iod dunkel färben sollen.=

Die Grätzelzelle ist ein gutes Beispiel dafür, dass in der Technik

biologische Prinzipien in optimierter Form eingesetzt werden können.

Damit ist in der Regel die Vereinfachung biologischer Moleküle auf ihre

wesentlichen Funktionseinheiten (z.B. das Farbstoffmolekül des Chloro-

phylls) verbunden. Diese Vorgehensweise ist sicherlich für viele

Bereiche, innerhalb und außerhalb der nanobiotechnologischen For-

schung, als sinnvoller Realisierungsschritt zu erachten.


Die Energieerzeugung nach dem Photosynthese-Muster der Pflanzen und

Bakterien ist heute noch nicht unmittelbar in technische Systeme

umsetzbar.

Mit Hilfe funktioneller Biomoleküle und der Umsetzung der Prinzipien

bei Photosyntheseprozessen ist jedoch die Entwicklung von Teilsystemen

möglich, die für spezielle Anwendungen genutzt werden können.

•= Lichtsammelantennen für photochemische Prozesse

•= Lichtgetriebene ATP-Produktion

•= biomimetische Photovoltaik (Grätzel-Zelle)

Die Produktion von ATP-Molekülen mit Lichtenergie könnte in Zukunft

für eine kontrollierte Energieversorgung von Nanomaschinen, die ATP-

15 Dieser aggresive Elektrolyt greift den Kleber für die Glasplatten der Solarzellen an. Dieses Problem scheint jedoch bei Toshiba zufriedenstellend gelöst zu sein.


Moleküle als Antriebsenergie umsetzen können (z.B. biomolekulare

Motoren, vgl. Abschnitt 6.1), genutzt werden.

Molekulare Lichtsammelsysteme, die eine effizientere Nutzung der

Lichtenergie ermöglichen, sind nicht nur für die Photovoltaik von

Interesse. Die Photochemie stellt für molekulare Lichtsammelanlagen ein

aussichtsreiches Gebiet z.B. für die Entwicklung von „Lichtreaktoren“

dar, die über diese Lichtantennen ihre Energie für photochemische

Synthesen in Mikrokapseln beziehen könnten. Beispielsweise könnten

Liposome, Mikrokapseln, Kolloide etc. als Miniatur-Reaktionsgefäße

benutzt werden, um darin photochemische Synthesereaktionen ablaufen

zu lassen. Die Photoenergie müsste von Lichtsammelanlagen in der

Membran bereit gestellt werden. Alternativ könnten synthetische Systeme

aus organischen Molekülaggregaten bzw. Kolloiden verwendet werden.

Die Grätzel-Solarzelle wird bereits kommerziell weiterentwickelt und in

einigen Jahren für verschiedene Einsatzbereiche auf den Markt kommen.

Der größte Vorteil liegt darin, dass diese Solarzelle in der Herstellung

vergleichsweise billig ist (gegenüber Silizium-Solarzellen etc.).

Die Grätzel-Zelle kann nur sehr bedingt mit der Nanobiotechnologie in

Verbindung gebracht werden. Sie zeigt aber auf, dass biologische

Funktionsprinzipien auch mit nicht-biologischen Systemen (hier:

Farbstoffmoleküle und TiO2-Nanokristallite) umgesetzt werden können,

und somit eine technische Realiserung möglich wird.

Generell ist bei Anwendungen lichtenergetischer Prozesse der Trend zu

verzeichnen, dass funktionelle Einheiten aus den biologischen Systemen

isoliert und für die technischen Bedürfnisse angepasst werden müssen.

Diese Vorgehensweise ist sicherlich auch für die meisten anderen

Anwendungsgebiete innerhalb der Nanobiotechnologie erforderlich.

Die dargestellten Beispiele weisen wieder auf den starken Grundlagen-

charakter hin, der das Technologiefeld Bio2Nano prägt. Sie sollten

deshalb in erster Linie aufzeigen, an welchen Hebeln die Nanobiotech-

nologie ansetzen kann, um energetische Prozesse, beispielweise mit

gezielt manipulierten (hybriden) Systemen, auf der Nanoskala zu steuern

bzw. zu optimieren. Insbesondere die kontrollierte und effektive Nutzung

von Lichtenergie für photochemische Prozesse (s.o.) dürfte sich als

vielversprechendes Aufgabenfeld für die Nanobiotechnologie erweisen.

Für Energieerzeugung und -Umsetzung im herkömmlichen Sinne, die

von rein physikalischen bzw. chemischen Technologiefeldern (Photovol-


taik, Brennstoffzellen, Windkraft etc.) dominiert wird, ist seitens der

Nanobiotechnologie jedoch kaum Konkurrenz bzw. wesentliches

Verbesserungspotential zu erwarten.

Biomolekulare Motoren und Aktoren 51515151

6.6.6.6. BIOMOLEKULARE MOTBIOMOLEKULARE MOTBIOMOLEKULARE MOTBIOMOLEKULARE MOTOREN UND OREN UND OREN UND OREN UND AKTUATORENAKTUATORENAKTUATORENAKTUATOREN

Biologische Motoren sind hochspezialisierte Proteinmaschinen von

wenigen nm Größe, die auf ihre speziellen Aufgaben hin optimiert sind,

z.B. als Schalter, Pumpen oder für den Transport. Aktuatoren wandeln

chemische Energie in mechanische Energie um, indem sie ihre Struktur

verändern und so auf ein damit gekoppeltes System einwirken.

In den folgenden Abschnitten werden zuerst typische molekulare

Biomotoren dargestellt und im weiteren einige teilweise künstlich

generierte, biomolekulare Aktuatorsysteme. Erste Anwendungsmöglich-

keiten werden ebenfalls diskutiert.

6.16.16.16.1 Transport und Antrieb Transport und Antrieb Transport und Antrieb Transport und Antrieb mit biomolekularen mit biomolekularen mit biomolekularen mit biomolekularen MotorenMotorenMotorenMotoren

Die biologischen Motorsysteme mit Transport- oder Antriebsfunktion

lassen sich grob in zwei Gruppen einteilen:

•= Linearmotor-Systeme aus einem Motorprotein (z.B. Myosin oder

Kinesin) und einem Schienensystem (Actinfilamente für Myosin

bzw. Mikrotubuli für Kinesine)

•= Rotationsmotoren (Bsp. F0-F1-ATPase).

Der Rotationsmotor F0-F1-ATPase ist gleichzeitig eine Pumpe für

Wasserstoffionen (Protonen), die wie die Linearmotoren-Proteine Myosin

und Kinesin mit Adenosintriphosphat (ATP) angetrieben wird. ATP-

Moleküle sind Zuckerringe (Ribose), an die ein Adenosinrest und ein

Triphosphatrest gebunden sind. Die letzte Bindung zwischen den drei

Phosphatgruppen des Triphosphatrestes können relativ leicht gespalten

werden und speichern chemische Energie. Bei der enzymkatalysierten

Hydrolyse von ATP wird diese Energie freigesetzt und das ATP in ADP

(Adenosindiphosphat) umgewandelt. Normalerweise entsteht ATP bei

der Glycolyse in den Mitochondrien der Zelle bzw. wird in Pflanzen

während der Photosynthese hergestellt.

Die funktionellen Motorproteine lassen sich verhältnismäßig gut für

Untersuchungszwecke isolieren. Um eine technische Nutzung zu

ermöglichen, müssen jedoch je nach Zielfunktion mehrere Kriterien bzw.

Kontrollfunktionen für das Funktionieren eines molekularen Motors


erfüllt sein: Ein-/Aus-Schalter, Geschwindigkeit, Bewegungsrichtung,

Andocken und Abladen von Transportgut, Kraftübertragung für Antrieb.

Diese Kriterien sind bei isolierten Motorsystemen außerhalb des

biologischen Organismus im Hinblick auf technische Anwendungen nicht

einfach zu erfüllen. Beispielsweise ist es zwar ohne weiteres möglich,

Mikrotubuli und Kinesin-Moleküle zusammenzubringen, und den

Bewegungsprozeß über den Energielieferanten ATP zu initiieren und

aufrecht zu erhalten, aber schwieriger ist es, die Dynamik und Richtung

dieses Prozesses zu steuern. Ein technisch sehr schwieriges Problem ist

auch das gezielte Be- und Entladen durch Steuerung von außen. In Zellen

geschieht die „Beladung“ beispielsweise, indem mit Motorproteinen

versehene Vesikel an den Mikrotubuli entlang wandern.

In biologischen Systemen wird in der Regel eine große Kraftübertragung

nicht mit einzelnen, hochleistungsfähigen Motoren erreicht, sondern

durch das Zusammenwirken vieler solcher Antriebe. So beruht beispiels-

weise die Muskelbewegung auf der konzertierten Bewegung unzählig

vieler molekularer Myosin-Actin-Maschinen in nur 50µm durchmessen-

den Muskelfasern.16

Im folgenden werden erste Ansätze dargestellt, um zu biologischen

Motorsystemen zu gelangen, die kontrolliert für technische Zwecke

eingesetzt werden können. Hierbei stellen die Kombination mit

anorganischen bzw. metallischen Komponenten sowie die Integration und

Ankopplung von Mikrosystemen wichtige Ziele dar.

16 Die Muskelkontraktion ist ein gutes Beispiel für die Leistungsfähigkeit eines biomolekularen Motorsystems. Eine Muskelfaser (Skelett-Muskelzelle) besteht aus Bündeln von Myofibrillen in Längsrichtung (Durchmesser einer Muskelfaser ca. 50µm, Länge bis zu 500 000 µm). Die Myofibrillen werden aus seriell verknüpften Aktorelementen (aneinandergereihte Sarcomere) gebildet, die wiederum aus ineinander greifenden und gegeneinander beweglichen Einheiten von Actin-Filamenten und Myosin-Filamenten bestehen (ca. 2,5 µm lang). Die Sarcomere sind durch eine Scheibe miteinander verbunden, die bei der Muskelkontraktion den Endpunkt für die Bewegung der Myosin-Filamenten entlang den Actinfilamenten darstellen. Die Actin-Filamente hängen an diesen Scheiben, zwischen denen die Myosin-Filamente mit Bewegungs-apparaten in beide Richtungen liegen. Jedes Filament wird aus vielen helical verdrillten Actin- bzw. Myosin-Einzelmolekülen gebildet. Durch ATP-Hydrolyse bewegen sich die Myosin-Filamente auf beiden Seiten entlang den Actin-Filamenten auf die Scheiben zu und ziehen so das Sarcomer zusammen. Bei einer Kette von ca. 20 000 Sarcomeren, die sich von 5 auf 4 cm verkürzt, nimmt die Länge jedes Sarcomers von 2,5 µm auf 2,0 µm ab.


6.1.16.1.16.1.16.1.1 LinearmotorenLinearmotorenLinearmotorenLinearmotoren

Im wesentlichen gibt es zwei technisch nutzbare Systeme von biolo-

gischen Linearmotoren, die aus einer Transportschiene (S) und einem

Motorprotein (M) bestehen:

•= Actin (S) – Myosin (M)

•= Mikrotubuli (S) – Kinesin (M)

Das System Actin-Myosin, das den Proteinmotoren in Muskeln ent-

spricht, weist im Vergleich zum zweiten System folgende Charakteristika

auf:

1. Actin-Filamente sind wesentlich flexibler als Mikrotubuli.

2. der Myosinteil ist im Vergleich mit einem Kinesin größer.

Während das Actin-Myosin-System vornehmlich in der Muskelforschung

eine Rolle spielt, wird es insbesondere in Japan auch für Anwendungs-

zwecke untersucht. Im Vordergrund steht dabei die Kontrolle der

Bewegung.

Der Forschergruppe von K. Oiwa ist es gelungen, die Bewegung von

Actinfilamenten auf vorgegebene Polymerbahnen zu beschränken, indem

Myosin an diese gebunden wurde [Suzuki et al. 1997, vgl. Abbildung

6.1]. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Kopfregion eines Myosinmotors

für die Bewegungsrichtung (zum positiven oder negativen Ende des F-

Actinfilaments) verantwortlich ist [Homma et al. 2001]. Vermutlich

hängt dies mit den molekularen Bestandteilen zusammen, die die

Untereinheiten des Motorkopfes verbinden und die Struktur-

veränderungen während der Bewegung beeinflussen. Diese Entdeckung

ist sicher ein grundlegender Schritt für die angestrebte Kontrolle der

Bewegungsrichtung von Actin-Myosin-Systemen.

Eine kürzlich veröffentlichte Untersuchung legt eine neue Einsatzmö-

glichkeit für Actin-Myosin nahe: die Steuerung der Viskosität einer

Abbildung 6.1: Actin-Bewegungen auf

Polymerbahnensystem mit

Myosin (entlang Konturen

"C", "R", "L" und liegende

"8").

Quelle: H. Suzuki, Kansai

Advanced Research

Center-Nair;

http://www-

karc.crl.go.jp/nano/

suzuki/motor-e.html

Myosinmotoren auf Actin-Schienen


Polymermischung, die auch Actin und Myosin enthält, durch die Zugabe

von ATP.

Aufgrund dieser Energiezufuhr fangen die Biomotoren an, die ver-

hedderten Polymermoleküle regellos in alle Richtungen auseinander zu

schieben und dadurch die Viskosität zu senken [Humphrey et al. 2002].

Dieser Prozess verläuft allerdings noch recht langsam und lässt sich nicht

gut steuern, so dass noch weitere detaillierte und anwendungsbezogene

Untersuchungen erforderlich sind.

Kinesin-Moleküle sind im Vergleich zu Myosinen die für technische

Anwendungen wesentlich besser untersuchten Motorproteine. Kinesine

besitzen einen langen Molekülschwanz, der an ein Transportgut (z.B. ein

Vesikel) oder eine Oberfläche gebunden werden kann, und einen meist

doppelköpfigen Vorderteil17, der an einen Mikrotubulus bindet. Der

Transportmechanismus ist weitgehend aufgeklärt und verläuft unter

Aufnahme von ATP an einer Kopfgruppe des Kinesins. Durch die

Energiezufuhr bei der ATP-Hydrolyse des Kinesins kann das Molekül

eine Bindung lösen und seine Konformation ändern. Dabei führt das

Molekül eine Hebelbewegung aus, die den Transport bewirkt. Kinesin

bewegt sich in Schritten von ca. 8-16 nm an einem Mikrotubulus entlang

und stoppt bei einer Gegenkraft von etwa 5-7 pN [Mehta et al. 1999].

Für das Transportsystem aus Mikrotubuli und Kinesin werden die

folgenden Alternativen für die bewegte Einheit in vitro untersucht:

entweder bewirken auf einer Substratoberfläche immobilisierte Kinesin-

moleküle den Transport von Mikrotubuli oder Kinesin-beschichtete

Teilchen wandern an immobilisierten Mikrotubuli entlang.

Oberflächen-gebundene Mikrotubuli als Schienensystem eignen sich für

den Transport größerer, Kinesin-beschichteter Objekte, welche gleichzei-

tig an mehrere Mikrotubuli binden können, so daß die Ladung nicht

herunterfällt, wenn das Ende eines einzelnen Tubulus erreicht wird

[Limbris/Steward 2000].

Da Mikrotubuli aufgrund ihres Aufbaus aus asymmetrisch angeordneten,

heterodimeren Tubulin-Proteinuntereinheiten eine strukturelle Polarität

mit einem positiven und einem negativen Ende aufweisen, ist die Lage

der Moleküle wichtig. Die Voraussetzung für dieses Transportsystem ist

eine isopolare Anordnung, in der die positiven Enden alle zu einer Seite

orientiert sind.

17 Es gibt auch Varianten mit nur einer Kopfgruppe.

Transportsysteme aus Mikrotubuli und Kinesinmotorproteinen

Mikrotubuli als Schienensystem


Am Institut für molekulare Biotechnologie in Jena ist es den Mitarbeitern

von K.J. Böhm und E. Unger gelungen, verschiedene Mikrometer-große

Objekte aus Glas, Gold und Polystyrol an isopolar ausgerichteten

Mikrotubuli-Arrays entlang zu transportieren [Böhm et al. 2001].

Leichter, als Mikrotubuli zu immobilisieren, ist es, Kinesinmoleküle auf

ein Substrat aufzubringen, üblicherweise Glas, so daß Mikrotubuli auf

der Kinesinschicht in Bewegung versetzt werden (vgl. Abbildung 6.1).

Gekrümmte Bahnen und Kreuzungen lassen sich so durch eine präzise

Bedeckung mit Kinesin realisieren. Eine Führungsschiene für die

Mikrotubuli kann man z.B. durch Einritzen von Gräben, in denen

Kinesin-Moleküle adsorbiert werden, realisieren. Die Adsorption findet

selektiv in nm-breiten Gräben von PTFE-Filmen [Suzuki et al. 1995,

Dennis/Howard/Vogel 1999] bzw. in Polyurethan-Substraten, welche mit

einer Abdrucktechnik aus einer Siliziumvorlage hergestellt werden

können, statt. Es ist auch möglich dies durch Veränderung der

Chemiesorptionseigenschaften der Oberfläche (hydrophob bzw.

hydrophil) zu erreichen [Suzuki et al. 1997, Nicolau et al. 1999].

Der Transport-Mechanismus unterliegt der Brownschen Molekularbewe-

gung: zunächst sucht die Spitze eines vorwärtslaufenden Mikrotubulus

nach dem nächsten Kinesin, wobei es leicht hin und her pendelt, so daß

leichte Richtungsänderungen und das Erklimmen von Wänden bis zu

einem gewissen Grad möglich sind. Falls der vorwärtslaufende Mikrotu-

bulus keine Kinesinmoleküle mehr findet, kann er regelrecht

"entgleisen". Die Kraft eines einzelnen Kinesins (ca. 5 pN) reicht für

Bewegungsänderungen mit einem maximalen Krümmungsradius von ca.

2 µm aus, so dass durch gleichzeitiges Einwirken mehrerer Kinesin-

moleküle auf einen Mikrotubulus ein Krümmungsradius von bis zu

einigen 100 nm erreicht werden könnte [Hess et al. 2001]. =

Eine japanische Forschergruppe unter Leitung von Taro Uyeda hat eine

einfache Methode entwickelt, die axiale Bewegungsrichtung eines Mikro-

Abbildung 6.1: Das Bild zeigt das Prinzip

der Bewegung von Mikro-

tubuli durch immobilisierte

Kinesin-Linearmotoren. Die

Beschichtung des

Glasträgers wurde aus einer

Kinesin- und Casein-

haltigen Proteinlösung

hergestellt.

Quelle: H. Hess, Univ. of

Washington;

Kinesinantrieb für Mikrotubuli


tubulus auf einer mit Motorproteinen versehenen Glasplatte festzulegen.

In die geradlinige Bahn für die Mikrotubuli wurden pfeilförmige

Ausbuchtungen von einigen µm Breite eingelassen, deren Spitzen in

Richtung der weiterführenden Bahnen zeigen (vgl. Abbildung 6.2).

Durch diese Geometrie sinkt die Wahrscheinlichkeit erheblich, den Weg

gegen die Pfeilrichtung fortzusetzen, so dass der Hauptfluss des

Transports in Richtung des Pfeils gezwungen wird. Die Mikrotubuli, die

sich entgegen der Pfeilrichtung bewegen, treffen nur selten auf die

Öffnung an der Rückseite des Pfeils. Statt dessen wandern sie in die

hinteren Ecken und müssen dort ihre Bewegungs in Richtung Pfeilspitze

umkehren [Hiratsuka et al. 2001].

Die Kontrolle des Start- und Endpunkts einer Bewegung ist schwierig, da

das Kinesinmolekül nicht sehr sensitiv auf Konzentrationsänderungen

von bestimmten Ionen oder den pH-Wert reagiert, wodurch üblicherweise

molekulare Prozesse kontrolliert werden können.

Einem Forscherteam um Viola Vogel von der University of Washington

und Joe Howard vom MPI für Molekulare Zellbiologie und Genetik in

Dresden ist es gelungen, unter Zuhilfenahme von UV-Licht eine

begrenzte Kontrolle zu erzielen [Hess et al. 2001]. Dazu benutzten sie

das Enzym Hexokinase, das sehr schnell ATP verbraucht und dadurch

wie eine Bremse auf die Kinesinmotoren wirkt. Schließlich kommen

diese zum Stillstand, wenn keine ATP-Moleküle mehr zur Verfügung

stehen. Die als Energielieferant für die Bewegung nötigen ATP-Moleküle

befinden sich zunächst in einer inaktivierten Form ("caged ATP"

[Dantzig/Higuchi/Goldman 1998]), aus der sie durch UV-Licht in die

freie Form überführt werden, so dass sie die Kinesinmotoren antreiben

können. Durch aufeinander abgestimmte UV-Lichteinwirkung

(Belichtungszeit zur Freisetzung von ATP ca. 30 s) und Zugabe von

bremsenden Enzymen können so ATP-Konzentrationsmaxima und -

minima erreicht werden. Die Verzögerungszeit von etwa 10 Minuten bis

zum vollständigen Stopp der Bewegungen wäre für technische

Einsatzzwecke allerdings sehr lang. Der Vorgang kann solange

wiederholt werden, bis das Reservoir an „caged“ ATP verbraucht ist.

Um Transportgut an Mikrotubuli zu befestigen, haben die Forscher die

Wechselwirkung zwischen Biotin und Streptavidin genutzt (diese wird

routinemäßig in der Biotechnologie eingesetzt, vgl. Abschnitt 2.2.2.3).

Das Molekül Biotin wird an die Mikrotubuli gebunden, was zur Folge

Abbildung 6.2: Pfeilförmige Geometrien

photolithografisch erzeugter

Gräben in einem

Glassubstrat erzeugen eine

Vorzugsrichtung (entlang

der Pfeilspitzen) für die

Mikrotubuli-Bewegung.

Die Bewegungsabfolge ist

schematisch auf Elektronen-

mikrografien dargestellt.

Eine Filmsequenz der

Mikrotubuli-Bewegung

kann unter folgender

Adresse heruntergeladen

werden:

http://unit.aist.go.jp/

genediscry/motility/biophys

j/moviedl.html

Quelle: nach [Hiratsuka et

al. 2001]

2

1

3

1

23

4

5


hat, daß Objekte, die eine Streptavidingruppe tragen, an die

Biotingruppen gebunden werden18.

Hierbei wurden Versuche mit einer Mischung aus etwa gleich vielen

biotinylierten Mikrotubuli und Streptavidin-beschichteten Polystyrol-

Kügelchen durchgeführt. In einem statistischen Prozeß haben

Mikrotubuli die Polystyrol-Ladungen aufgenommen und über eine

Kinesin-beschichtete Oberfläche transportiert. Dabei wurden die

Kügelchen regellos und spontan abgesetzt, an andere Mikrotubuli

weitergereicht oder zu größeren Ansammlungen von Kügelchen gepackt

[Hess et al. 2001].

Die Entwicklung von Steuermechanismen u.a. durch chemische Modi-

fikation der Biomoleküle (z.B. eine photospaltbare oder z.B. pH-

abhängige Streptavidin-Biotin-Kupplung) für das Be- und Entladen stellt

für potenzielle Transportanwendungen ein wichtiges Forschungsziel dar.

Eine erste konkrete Anwendungsperspektive für biologische Linear-

motoren wurde ebenfalls von der Forschergruppe um V. Vogel und J.

Howard präsentiert [Hess et al. 2002]. Die regellose Bewegung vieler

fluoreszenzmarkierter Mikrotubuli auf einer mit Motorproteinen

(Kinesin) beschichteten Oberfläche wird zur topographischen Kartierung

von Materialien benutzt. Da die Mikrotubuli nicht beliebig über Kanten

hinweg gleiten können und das Motorsystem über die Anbringung der

Kinesinmotoren zudem sensibel auf die Art der Oberfläche (z.B. hydro-

phil oder hydrophob) einstellbar ist, können so Kantenstrukturen und

kleinste Hohlräume indirekt über die markierten Mikrotubuli mit einem

optischen Mikroskop identifiziert werden. Durch Überlagern von schnell

hintereinander aufgenommenen Mikroskop-Bildern lässt sich eine

detaillierte Darstellung der Materialoberfläche erhalten. Die Auflösungs-

grenze liegt dabei in einer Größenordnung von ca. 50 nm. Außerdem

ermöglicht es die Fluoreszenzmethode, die Mikrotubuli bei entsprechen-

der Transparenz der Materialien auch in kleinen Aushöhlungen zu

verfolgen und damit topografische Informationen zu erhalten. Die

Methode könnte ebenfalls dazu benutzt werden, um Materialfehler fest-

zustellen.

Das Verfahren befindet sich jedoch noch im Forschungsstadium.

Außerdem gilt es abzuklären, inwieweit ein tatsächlicher konkurrenz-

fähiger Mehrwert im Vergleich zu der Vielzahl an etablierten Methoden

zur Charakterisierung von Oberflächen entstehen kann.

18 TRN News, 4./11. Juni 2001 „Molecular shuttle gains light throttle“

potenzielle Anwendung: Oberflächenanalyse mit fluoreszierenden Motorproteinenen


6.1.26.1.26.1.26.1.2 RotationsmotorenRotationsmotorenRotationsmotorenRotationsmotoren

Der am besten untersuchte biologische Rotationsmotor ist die Protonen

transportierende F0-F1-ATP-Synthase (Kurzbezeichnung ATPase), die in

der Zellmembran für die Synthese von ATP sorgt. Nach dem gleichen

Prinzip sorgt durch Kopplung an eine Geißel (Flagella) die F0-F1-ATPase

für den Antrieb eines Bakteriums (ca. 12 000 Umdrehungen / min).

Dieser Rotationsmotor ist mit nur ca. 10 nm Breite das kleinste bekannte

Motorsystem und besteht aus zwei funktionellen Einheiten: der F0-

Einheit mit einem Protonenkanal, die hydrophobe Eigenschaften aufweist

und daher in die Membran integriert ist, und der katalytischen F1-ATPase

mit hydrophilen Eigenschaften, die in den Untereinheiten ATP hydroly-

sieren bzw. synthetisieren kann. Die F1-ATPase wiederum besteht aus

einem Ring von je drei alternierenden α- und β-Untereinheiten, zwischen

denen die katalytischen Zentren liegen. Den Verbindungsschaft

(Rotorstab) bilden die Polypeptide des F0-Teils und die γ, δ, ε-Unterein-

heiten des F1-Kopfes (siehe Abbildung 6.3). Die γ−Einheit ragt etwas

über den α/β-Ring hinaus und kann für technische Zwecke mit einem

Rotorblatt verbunden werden bzw. ist bei bestimmten Bakterien an eine

Geissel gekoppelt.

Wenn Protonen aufgrund eines transmembranen Protonengradienten

durch die F0-Einheit fließen, rotiert der Schaft der F1-ATPase im

Uhrzeigersinn und es wird in den katalytischen β-Zentren ATP

produziert. Dabei wird eine Geschwindigkeit von mehreren Tausend

Umdrehungen pro Minute und ein Drehmoment von ca. 80-100 pN

erzeugt, was im Vergleich zu anderen biomolekularen Motoren der

höchste Kraftübertrag ist [Noji et al. 1997]. Hydrolyse von ATP kehrt die

Drehrichtung der γ-Untereinheit um und pumpt Protonen auf die

Außenseite der Membran. Der Prozess ist also reversibel.

Einer japanischen Forschergruppe [Hiroyuki et al. 1997] gelang es,

diesen biologischen Motor zu modifizieren (durch Expression einer

Abbildung 6.3: F1-ATPase-Rotationsmotor

mit einem Ring aus alter-

nierenden α- und β-Einhei-

ten. Das Rotorblatt (ein

Actinfilament) ist am Schaft

(Rotationsachse, γ-Einheit)

befestigt.

Quelle: [Noji et al. 1997]


gentechnisch veränderten F1-ATPase eines thermophilen Bakteriums)

und die Rotation sichtbar zu machen, indem sie ein fluoreszierendes

Actinfilament als Rotorblatt (5 nm Durchmesser, 1 bis 4 µm Länge) über

eine Streptavidin-Biotin-Bindung angekoppelt haben (vgl. Abbildung

6.3). Inzwischen konnten die Details des Mechanismus noch weiter

aufgeklärt werden, indem die Bewegung einer Goldperle von 40 nm

Durchmesser, die an der Schaftspitze des γ-Teils befestigt war, mit der

„laser imaging“-Methode verfolgt wurde [Yasuda et al. 2001].

Wissenschaftler um C. Montemagno von der Universität Cornell konnten

sogar quasi das erste hybride Motorsystem auf der Nanoskala aus einem

biologischen Antrieb und anorganischen Komponenten generieren

[Soong et al. 2000]. Dazu wurde ein Propeller aus Nickelmetall, um ein

Vielfaches größer als der Motor selbst (750-1400 nm lang, 150 nm breit),

auf der Spitze der γ-Einheit angebracht (s. Abbildung 6.4). Mehrere F1-

ATPase-Motoren wurden auf 200 nm hohe Pfeiler mit einem Durch-

messer von ca. 50-120 nm postiert, die aus einem Substrat sukzessive mit

verschiedenen Techniken der Nanotechnologie (Elektronenstrahl-

Lithographie und Nanoimprint-Verfahren) heraus geformt und

abschließend mit einer Nickelkappe versehen wurden [Bachand et al.

2000]. [g6]Die Verbindung der Metalloberflächen und der biomolekularen

Teile des Systems erfolgte mit Biotin-Streptavidin-Verknüpfungen. In

einer Lösung aus ATP liefen von 400 solcher Rotoren auf einem

gemeinsamen Substrat zumindest fünf kontinuierlich und störungsfrei

gegen den Uhrzeigersinn, während die übrigen teilweise wieder zerfielen

Abbildung: 6.4 F1-ATPase-Rotoren (B) mit

Rotorblättern aus Nickel

auf Mikrometer großen

Pfosten befestigt (A, D).

Ausschnitt C zeigt, dass

sich einige Rotoren

bewegen.

Quelle: C. Montemagno,

Cornell Univ.;

http://falcon.aben.cornell.

edu/

Biomolekulares Hybridsystem: F1-ATPase-Motor mit metallischem Rotorblatt


bzw. sich nicht montieren ließen. Die Aufhängungspunkte der

Rotorblätter lagen dabei zwischen ¼ und 1/3 der Gesamtlänge des Rotors,

wobei es keine bevorzugte Stelle zu geben schien. Die Drehgeschwin-

digkeit betrug ca. 8 Umdrehungen pro Sekunde für die 750 nm langen

Rotoren (ca. 1 Umdrehung/s bei 1400 nm Länge).

Für die unmittelbare Energieversorgung eines F0-F1-ATPase-Motors

bietet sich die Kombination mit einem Bakteriorhodopsin an. Wie bereits

in Abschnitt 5.1.2 beschrieben wurde, ist der Einbau von Bakterio-

rhodopsin und der F1-ATP-Synthase in ein Liposom möglich, so dass

dieses durch Umwandlung von Licht in chemische Energie ATP

bereitstellen kann, mit dem dann wiederum z.B. ein anderer F1-ATPase-

Motor angetrieben wird (vgl. Umschlagillustration).

Als Schalter für den Motor wurden bislang nur wenige Möglichkeiten

gefunden. In der Montemagno-Arbeitsgruppe wird zu diesem Zweck mit

einer Zink-Verbindung gearbeitet, die wie eine Art Knüppel wirkt, den

man in Radspeichen wirft. Als weitere Alternative bietet sich die oben

dargestellte Variante mit „eingesperrten“ ATP-Molekülen an, die sich in

abgewandelter Form auch auf Rotationsmotoren anwenden lassen sollte.

Eine andere Möglichkeit, die Rotation durch ein externes Signal zu

beeinflussen, haben Forscher aus Japan bei einem künstlich erzeugten F1-

ATPase-Komplex entdeckt, der durch die Wahl der Umgebungsbeding-

ungen (oxidierend oder reduzierend) "schaltbar" ist. Dazu wurden

bestimmte Segmente der Rotorachse einer redox-sensitiven Chloroplast-

F1-ATPase in eine bakterielle F1-ATPase integriert. Der eigentliche

Schalter ist eine Disulfidbrücke, die die Rotation teilweise blockiert, so

dass das Enzym im oxidierten Zustand etwa dreimal weniger aktiv ist als

im reduzierten Zustand [Bald et al. 2000]. Dadurch verlief unter

oxidierenden Bedingungen (Kupferdichlorid) die Rotation mit häufigen,

abrupten und typischerweise mehrminütigen Unterbrechungen. Bei der

reduzierten Form (Reduktionsmittel ist Thioredoxin-f) wurde die Rota-

tion hingegen nur einige Male von sehr kurzen Pausen unterbrochen,

vermutlich aufgrund der sogenannten ADP-Inhibition, die jedoch leicht

überwunden werden kann [Bald et al. 2001].

Der „Schaltvorgang“, der eigentlich besser als noch relativ unspezifische

Beeinflussung bezeichnet werden sollte, verläuft auf einer Zeitskala von

5- 10 min.

Steuerungs-möglichkeiten


6.26.26.26.2 BiomolBiomolBiomolBiomolekulare Aktuatoren und Schalterekulare Aktuatoren und Schalterekulare Aktuatoren und Schalterekulare Aktuatoren und Schalter

Das technologische Potenzial "intelligenter" mechanisch aktiver Proteine,

die auf äußere Reize reagieren, wird seit langer Zeit diskutiert [Kuhn

1949, Kuhn 1951]. In Japan wurden mit künstlichen Proteinen, die eine

chemisch betrachtet einfache Struktur haben, respektable Teilerfolge

erzielt (allerdings sind die Moleküle für technische Anforderungen wenig

geeignet) [Osada et al. 1992, Osada 1995].

Im folgenden wird an dem Beispiel des kristalloiden P-Proteins ein

Protein-Aktuator für Mikrofluidik-Anwendungen gezeigt. Außerdem

werden zwei Beispiele für Molekül-spezifisch steuerbare Schalter aus

DNS-Konstruktionen dargestellt.

6.2.16.2.16.2.16.2.1 ProteinProteinProteinProtein----AktuatorAktuatorAktuatorAktuator

In den röhrenförmigen Siebzellen mancher Pflanzen steuert das kristallin

vorliegende P-Protein als Ventilklappe den Durchfluss verschiedener

Zellsäfte, indem es durch Aufnahme von Calciumionen eine reversible

Konformationänderung durchläuft [Knoblauch et al. 1998]. In der Zelle

regeln Calciumionenpumpen (Ca2+-ATP-Synthasen) diesen Prozess.

Die nanoskalige Strukturänderung des Proteins bewirkt zugleich eine

mikroskopisch sichtbare Veränderung des Kristalls. Die damit ver-

bundene Funktion des P-Proteins als eine Art Absperrhahn wäre auch für

mikrofluidische Systeme von Interesse. Die besondere Langlebigkeit

zeichnet dieses Biomolekül gegenüber anderen künstlichen und

natürlichen Proteinen aus. Es ist als langzeitaktiver Bestandteil der Zelle

angelegt und übersteht dort mindestens einen Halbjahreszyklus mit

entsprechenden Temperaturschwankungen.

Der Arbeitsgruppe um A. van Bel an der Universität Gießen ist es

gelungen, Kristalle des Proteins z.B. an Verengungsstellen von dünn

ausgezogenen Glaskapillaren einzusetzen. Die Proteinkristalle lassen sich

als Ventilklappen in Abhängigkeit von chemischen und elektrischen

Steuersignalen schalten. Dies geschieht chemisch durch Zugabe von

Calciumionen (schließen) bzw. mit EDTA als starkes Komplexierungs-

mittel, um die Ionen wieder aus dem Protein zu entfernen (öffnen). Dabei

reagiert das Protein äusserst sensibel, selbst auf geringste Ca-

Konzentrationen oder auch auf andere zweiwertige Kationen (z.B.

Strontium). Für eine externe Steuerung muß die Kapillare allerdings für

die Ionen durchlässig sein.

Alternativ kann die Steuerung auch über den pH-Wert erfolgen, wobei

eher eine Art Quellungsmechanismus, der jedoch den gleichen Effekt

hat, die Änderungen in dem P-Protein bewirkt. Zur Zeit wird an einer

natürlicher Aktuator: kristalloides P-Protein


elektrisch steuerbaren Änderung des pH-Wertes und damit einer externen

Kontrolle gearbeitet.

Neben einer Anwendung als Mikrofluidik-Ventil, das sich in Abhängig-

keit von der Ionenkonzentrationen schließen kann (z.B. für Dialysesys-

teme) kann die Strukturänderung des Proteins auch als Aktuator

eingesetzt werden. Dieser Effekt lässt sich an dem Transport kleiner

Härchen durch P-Proteine demonstrieren und unter dem Mikroskop

beobachten.

Darüber hinaus bewirkt die hohe Sensitivität auf Calcium- oder

Strontiumionen eine registrierbare Veränderung, die für die Entwicklung

entsprechender Ionensensoren genutzt werden kann.

Einer Forschergruppe um B. Yurke von den Lucent Technologies Bell

Labs gelang es in Zusammenarbeit mit dem Physics Dept. der Universität

Oxford, aus drei künstlichen DNS-Strängen molekulare "Pinzetten" zu

konstruieren, die mit einem weiteren DNS-Strang quasi als eine Art

"Treibstoff" geöffnet und geschlossen werden können [Yurke et al.

2000]. Die Pinzette wird aus mehreren in bestimmten Bereichen

hybridisierten DNS-Strängen gebildet. Ein DNS-Molekül, das in der

Mitte nicht hybridisiert ist, dient quasi als Scharnier. Zwei weitere DNS-

Molekülen sind zu den beiden freien Schenkeln des ersten Moleküls

komplementär und bilden stabile Doppelhelices mit diesen. Dabei ragen

an beiden Armen freie DNS-Abschnitte über die Enden hinaus. Es

entsteht eine in der Mitte flexible V-förmige Struktur. Durch Hinzufügen

eines weiteren DNS-Moleküls (A), welches zu den freien Enden

komplementär ist, lässt sich die Pinzette schließen (vgl. Abbildung 6.4).

Man kann dies auch als Schaltvorgang betrachten.

Mit Hilfe von Fluoreszenzmarkern an den beiden Enden der "Pinzette"

kann man verfolgen, ob sie geöffnet oder geschlossen ist, da sich die

Intensität der Fluoreszenz in Abhängigkeit des Abstands der beiden

Fluoreszenzgruppen zu einander stark ändert. Das Öffnen funktioniert

mit Hilfe eines weiteren DNS-Strangs (B), der den Strang (A) durch

Hybrisidierung, beginnend an den freien Enden von (A), wieder ablöst.

Der so gebildete DNS-Doppelstrang zwischen (A) und (B) stellt das

Abfallprodukt des Prozesses dar.

Der entscheidende Vorteil, den diese DNS-Maschinen bieten, ist die

Selektivität, mit der einzelne Pinzetten angesprochen werden können,

weil sie nur auf die passenden "Treibstoff"-Moleküle reagieren. Obwohl

bislang nur Experimente durchgeführt wurden, die zeigen, dass das

Prinzip funktioniert, kann man sich als Fernvision vorstellen, dass

Abbildung 6.4: Molekulare DNS-Pinzette.

a) offen, b) Zugabe

komplementärer

Verbindungs-DNS, c)

geschlosen

Quelle: Bell Labs;

http://www.bell-

labs.com/project/feature/

archives/dna/


komplexe Gerüststrukturen, deren Schalter selektiv ansteuerbar sind, in

Zukunft als molekulare Konstruktions- und Positionierungssysteme zum

Einsatz kommen können. Hierfür ist es sicherlich auch von Vorteil, dass

in der Regel keine starken chemischen Bindungen eingegangen werden

müssen, die nach einer Positionierung schwierig wieder selektiv zu lösen

wären.

Eine andere Art biomechanischen "Schalter" hat N. Seeman aus mit

einander verflochtenen DNS-Molekülen konstruiert (DX- oder double-

crossover-Moleküle). Das Schaltelement besteht aus zwei starren Armen,

die über einen nicht verflochtenen Doppelhelix-Abschnitt miteinander

verbunden sind (siehe Abbildung 6.5). Diese bildet quasi ein Scharnier,

das durch Zugabe von positiv geladenen Kobaltionen von der rechts-

gängigen Helixform (B-DNS) in die linksgängige (Z-DNS) überführt

wird. Durch die Konformationsänderung kommen die Arme einmal auf

der gleichen Seite des Moleküls zu liegen und einmal auf entgegen-

gesetzten Seiten. Diese Lageänderung lässt sich durch Fluoreszenzmarker

verfolgen.

In Kombination mit der Methode von B. Yurke (s.o.) konnte Seeman

inzwischen auch eine modifizierte Variante seiner Schalterkonstruktion

aus verflochtenen DNS-Molekülen erzeugen, die sich durch Zugabe

individueller DNS-Stränge ebenfalls zwischen rechts- und linksgängiger

Helixform gezielt hin- und herschalten lässt [Yan et al. 2002].

Der Vorteil der beiden Verfahren von Yurke und Seeman ist die

Selektivität auf molekularem Niveau. Wünschenswert wäre zudem ein

anderer Steuermechanismus, z.B. durch Licht wie bei photochemisch

schaltbaren Azo-Gruppen in supramolekularen Verbindungen [Vögtle

1992], anstelle der Zugabe eines Reagenz (hier: eine Steuer-DNS oder

Ionen).

Abbildung 6.5: Nanomechanischer B-Z-

Schalter aus verflochtenen

DNS-Molekülen. Zwei

Stellungen der mitteleren

DNS-Abschnitte:

a) rechtsgängige Helix

(B-DNS),

b) linksgängige Helix

(Z-DNS)

Quelle: N. Seeman, Univ.

New York;

http://seemanlab4.chem.ny

u.edu/homepage.html



Die Bewertung der biomolekularen Motor- und Aktuatorsysteme erfolgt

getrennt.

6.3.16.3.16.3.16.3.1 Biomolekulare MotorenBiomolekulare MotorenBiomolekulare MotorenBiomolekulare Motoren

Nanoskalige Motorsysteme mit Transport und Antriebsfunktionen sind

insbesondere

•= Linearmotoren aus einem Motorprotein (z.B. Kinesin oder Myosin)

und einem Schienensystem (Filamente aus Actin oder Mikrotubuli)

•= Rotationsmotoren aus einem zweiteiligen funktionellen Protein-

komplex (F0-F1-ATP-Synthase), der gleichzeitig als Protonenpumpe

arbeitet.

Während die Ziele der Grundlagenforscher (Bewegungs- und Transport-

kontrolle) relativ klar umrissen sind, erscheinen die Anwendungs-

perspektiven eher schemenhaft und auf Teilaspekte beschränkt. Obwohl

die Formulierung konkreter Anwendungsvisionen möglich ist, wird

oftmals gar nicht thematisiert, was transportiert bzw. zu welchem Zweck

etwas angetrieben werden soll.

Im Hinblick auf mögliche Industriebeteiligung in Forschungsprojekten ist

unbedingt eine Konkretisierung von Anwendungszielen und Realisier-

ungswegen nötig.

Der nachfolgende Überblick listet deshalb auf der Hand liegende und

teilweise oben dargestellte Einsatzmöglichkeiten auf, die sich auf ein

konkretes anwendungsbezogenes Forschungsvorhaben zuspitzen lassen:

•= gerichteter Transport, z.B. von gefüllten Vesikeln, molekularen

Bauteilen, Wirkstoffen. Transportaufgaben im Bereich der Nano- und

Mikrofluidik

•= (rotierende) Verteilungs- und Sortieranlagen für molekulare Fabriken

•= molekulare Maschinen zur Reaktionskontrolle

•= nanomechanische Pumpen und Ventile

•= Antrieb mit molekularen Rotationsmotoren

•= Nanoskalige mobile Erkennungssysteme

Nicht zuletzt durch einen Vergleich mit biologischen Transport-

mechanismen auf verschiedenen Längenskalen im zellulären Bereich

(druckgetriebene Fluidik in Gefäßen für große Strecken – aktiver

Transport mit Linearmotorproteinen auf der Mesoskala, z.B. bei der

Forschungsziele: technische Anwendungen


Zellteilung – diffusionskontrollierte Selbstorganisation für kleinste

Distanzen) kann man auf Anwendungsbereiche für künstlichen,

molekularen Transport schließen.

Eine konkrete Anwendung könnte der gerichtete Transport winzigster

Stoffmengen oder (makromolekularer) Baueinheiten in lab-on-a-chip-

Systemen sein. Schließlich wird auch in feinsten Nervenenden der

Transport mit Hilfe gefüllter Vesikel bewerkstelligt, welche gekoppelt an

Motorproteine an Filamentproteinen entlang wandern. Eine Doppellipid-

schicht-Kapsel als Transportmittel analog zu Vesikeln wäre denkbar, um

den Stofftransport in Submikrometer breiten und geeignet beschichteten

Kanälen oder entlang Mikrotubuli-Schienen durchzuführen.

Vorstellbar ist auch, dass Linearmotoren als Aktuatoren für winzig kleine

Pumpen oder Ventile in mikrofluidischen Lab-on-a-chip-Systemen

eingesetzt werden könnten. Es gibt Überlegungen, beispielsweise einen

Kolben in einem winzigen Plastik- oder Silizium-Zylinder mit einem

ATP-getriebenen Kinesin-Motor zu versehen, indem die Innenseite des

Zylinders mit Mikrotubuli bedeckt und der Kolben mit Kinesin be-

schichtet wird. Es ist jedoch sehr fraglich, ob derartige Systeme, falls sie

realisiert werden, mit schnell reagierender und weiter entwickelter

Mikro- und Nanotechnik überhaupt konkurrieren könnten.

Ein zentrales Problem für alle potenziellen Anwendungen mit

biologischen Motoren stellt die Kontrolle über die Bewegung dar.

Für eine technische Anwendung z.B. als steuerbares Transportsystem

muss zunächst ein hinreichend schnell reagierender Schaltmechanismus

zum Einschalten des Motors, für die Kontrolle der Bewegungsrichtung

und der Geschwindigkeit gegeben sein. Außerdem muss das Transportgut

an definierten Punkten aufgenommen und abgeladen werden können.

Diese Kriterien werden bislang jedoch nur ansatzweise erfüllt und sind

Gegenstand aktueller Forschung. Es besteht noch ein hoher

Forschungsbedarf auf der Grundlagenseite.

Ähnliche Kontrollprobleme gibt es auch bei dem Rotationsmotor F0-F1-

ATPase. Obwohl es gelungen ist, nanostrukturierte Rotorblätter aus

Nickel mit solchen Miniaturmotoren anzutreiben, fehlt noch die

Kontrolle über Start und Ende der Bewegung. Bei den Experimenten von

C. Montemagno (s.o.) waren wegen mangelnder Befestigung der

Rotorblätter außerdem nur wenige Prozent der Motoren operabel. Selbst

die Positionierung der Rotorblätter war nicht exakt. Auch für dieses

System ist deshalb noch ein hoher, möglichst an Anwendungen

orientierter Forschungsbedarf auszumachen.

Forschungsbedarf: Steuerungs-möglichkeiten für Biomotoren


Die Steuerungsproblematik wird in dem am Ende des Abschnitts 6.1.1

dargestellten Beispiel zur Oberflächenanalyse auf geschickte Weise

umgangen, indem die statistische, regellose Bewegung fluoreszenzmar-

kierter Mikrotubuli auf Kinesin beschichteten Oberflächen zur

Materialprüfung ausgenutzt wird. Der Vorteil der Methode liegt darin,

dass mit verhältnismäßig einfachen Mitteln (fluoreszenzmarkierte

Biomoleküle und Mikroskop) Informationen über die Materialeigen-

schaften auf der Nanoskala erhalten werden können. Hier könnte bereits

kurz- oder mittelfristig eine technische Anwendung für biomolekulare

Motoren entstehen, falls die neue Methode zur Oberflächencharakteri-

sierung gegenüber bereits etablierten Verfahren in entsprechenden, noch

durchzuführenden Tests entscheidende Vorteile zeigt.

Ein weiteres entscheidendes Kriterium ist die Frage der Haltbarkeit und

Stabilität unter den gegebenen Bedingungen.

Vor allem die Anfälligkeit von Motorproteinen gegenüber photo-

aktiviertem Luftsauerstoff und Spuren von Zersetzungsenzymen, welche

zu einer allmählichen Zerstörung des Motorsystems führen, dürfte für die

Umsetzung in technische Produkte, die nicht nur für kurze Zeiträume

oder/und einen Einzelvorgang beständig sein müssen, ein großes Problem

darstellen.

Die Motorproteine sind auf Wasser und relativ milde äußere

Bedingungen angewiesen (etwa unterhalb 60-80°C). Abhilfe könnten

möglicherweise wärmebeständigere Proteine bieten, die durch Gen-

Expression in extremophilen Bakterien erzeugt werden könnten. Ein

Organismus ersetzt normalerweise kontinuierlich biologisches Material,

um die Zerstörung durch die Umgebungsbedingungen und den

biologischen Zerfall auszugleichen. Daher müssten auch nanobiotechno-

logische Systeme auf Proteinbasis nach einer gewissen Zeit ausge-

wechselt werden. Eine Vision als Alternative zur Verbesserung der

Haltbarkeit von Proteinen wäre es also, die Selbstreplikations- bzw.

Selbstreparaturfähigkeit von biologischen Organismen in die Systeme zu

integrieren. Solche biologischen Prinzipien technisch handhabbar zu

machen, wäre ohnehin für viele technischen Systeme von größtem

Interesse, jedoch bislang noch nicht mal ansatzweise umgesetzt und

deshalb auch nicht in dieser Technologieanalyse näher darstellbar (sie

würden in den Bereich der Selbstorganisation fallen, vgl. Kap. 2).


Nicht nur biologische Nanomotoren und –maschinen werden derzeit

erforscht19, sondern u.a. auch eine Vielzahl funktioneller supramole-

kularer Systeme [Balzani et al. 2000]. Sie sind in der Regel leichter

ansteuerbar, z.B. weil gezielt photoaktive Gruppen in die Moleküle

eingeführt werden können, um die Maschinen mit Lasern einzuschalten.

Auch in punkto (thermische) Stabilität sind synthetische Moleküle eher

im Vorteil, so dass die nanobiotechnologischen Forschungsanstrengungen

stets im interdisziplinären Sinne die Entwicklungen innerhalb der

Nachbardiszplinen verfolgen und ggf. miteinbeziehen sollten.

6.3.26.3.26.3.26.3.2 Biomolekulare Aktuatoren und SBiomolekulare Aktuatoren und SBiomolekulare Aktuatoren und SBiomolekulare Aktuatoren und Schalterchalterchalterchalter

Bei den in Kapitel 6.2 vorgestellten Anwendungen stehen zwei

unterschiedliche Systeme im Vordergrund:

•= Aktuatorprotein als Mikroventilklappe

•= individuell ansteuerbare DNS-Molekularschalter

Für die Mikrofluidik sind steuerbare Mikroventilklappen wie das in

Kristallform vorliegende P-Protein interessant. Die Steuerung erfolgt bei

diesem Aktuatorprotein über ein nanoskaliges Bindungsereignis, das eine

über die Nanoskala hinauswirkende Änderung der Kristallstruktur zur

Folge hat. Es ist also auch in der Lage, quasi als Interface zwischen

Nano- und Mikrokosmos zu operieren. Im Vergleich zu anderen

Biomolekülen zeichnet es sich vor allem durch zwei Eigenschaften aus:

•= lange Haltbarkeit (in der Pflanze mindestens ein Halbjahreszyklus)

•= leichtere und schnellere Schaltbarkeit: statt ATP als Energielieferant

können Calciumionen bzw. Komplexierungsmittel oder alternativ

pH-Wertänderung eingesetzt werden

Anwendungsmöglichkeiten, die derzeit erforscht werden, sind

Mikroaktuatoren, Mikroventilklappen sowie selektive Calcium- und

Strontium-Sensoren für kleinste Ionenkonzentrationen. Während

Ventilklappen im Bereich der Mikrofluidik starke Konkurrenz durch

mikro- und nanotechnologische Steuersysteme erfahren werden, dort aber

einen relativ breiten Einsatzbereich hätten, sind für spezielle Calcium-

oder Strontium-Sensoren eher Nischenanwendungen denkbar.

19 Vgl. z.B. Workshop "Molecular Motors", DECHEMA, Frankfurt (19.-20.11.2001)


Auch individuell steuerbare Aktuatoren aus DNS-Molekülen könnten

langfristig in nanomechanischen Elementen Anwendung finden. Im

Bereich der Nano- und Mikroreaktionstechnik ist z.B. der Einsatz mole-

kularer Pinzetten als flexible Klammern denkbar, um nanoskalige

Objekte (biologischer oder nicht-biologischer Natur) in einer definierten

Orientierung auf einem Substrat zu fixieren.

Informations- und Kommunikationstechnologie 69696969

7.7.7.7. ANWENDUNGSBEREICHANWENDUNGSBEREICHANWENDUNGSBEREICHANWENDUNGSBEREICHE IN DER E IN DER E IN DER E IN DER INFORMATIONINFORMATIONINFORMATIONINFORMATIONSSSS---- UND UND UND UND KOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOKOMMUNIKATIONSTECHNOLOGIELOGIELOGIELOGIE

Die herkömmliche CMOS-Technologie20 für Silizium-basierte

Computerchips wird in absehbarer Zeit an ihre physikalischen Grenzen

der Miniaturisierung und Leistungsfähigkeit stoßen21, auch wenn z.B. die

angestrebte Weiterentwicklung der Chip-Produktion auf Basis der

sogenannten EUV-Lithografie Strukturen in Aussicht stellt, deren Größe

deutlich unter 100nm liegt [Meindl/Chen/Davis 2001]. Insbesondere die

elektronischen Eigenschaften der immer kleiner werdenden Strukturen

selbst (im Hinblick auf die materialspezifischen Eigenschaften wie

Leitfähigkeit und Isolierbarkeit) werden die Miniaturisierung der

konventionellen Chip-Technologie letztlich in ihre physikalischen

Schranken verweisen. Darüber hinaus steigen der Produktionsaufwand

und die Kosten mit zunehmender Verringerung der Strukturgrößen (z.B.

durch Verwendung von EUV-Licht mit entsprechenden Optiken etc.)

stark an. Will man diese Probleme lösen, muss ein Weg zu billigeren und

noch besser auflösenden Lithografieverfahren gefunden werden oder

bzw. und langfristig ein Paradigmenwechsel angestrebt werden, z.B. hin

zu einer "Molekularelektronik" sowie zu neuartigen, räumlich vernetzten

Computerarchitekturen, auch unter Einbeziehung mehrwertiger Logiken

[Normile 2001].

Die Nanobiotechnologie könnte hierzu in mehreren Teilbereichen

Beiträge leisten:

•= Hilfsmittel für den Aufbau einer molekularen Architektur, die selbst

nicht aus biologischen Molekülen bestehen muss (sondern

beispielsweise auf Kohlenstoff-Nanoröhren basieren kann).

•= funktionelle Biomoleküle für bioelektronische Bauelemente.

•= Datenspeicherung mit Biomolekülen.

•= DNS-Moleküle für parallele Rechenoperationen.

•= Integration neuronaler Informationsverarbeitung in künstliche

Systeme.

In den folgenden Abschnitten werden diese Punkte diskutiert und an

charakteristischen Beispielen der aktuelle Stand der Forschung

aufgezeigt. Im Anschluss daran findet jeweils eine Bewertung des damit

20 CMOS = complementary metal-oxide semiconductor 21 "Technology Roadmap for Nanoelectronics", ed. R. Compano, European Commision, 2000


verbundenen Potentials statt, um die Rolle der Nanobiotechnologie für

zukünftige Entwicklungen im IuK-Bereich klarer herauszustellen.

7.17.17.17.1 Biologische Moleküle zur Herstellung Biologische Moleküle zur Herstellung Biologische Moleküle zur Herstellung Biologische Moleküle zur Herstellung molekularer Elektronikarchitekturenmolekularer Elektronikarchitekturenmolekularer Elektronikarchitekturenmolekularer Elektronikarchitekturen

Mit einem Verkleinerungsgrad der elektronischen Bauelemente auf

molekulare Größen wären z.B. hochdichte Speicher und extrem

leistungsfähige Rechnersysteme möglich. Bisher lassen sich einzelne

Labormuster von Bauteilen wie Transistoren und Dioden für

grundlegende Funktionen eines Speichers bzw. Prozessors z.B. aus

Kohlenstoff-Nanoröhren konstruieren. So konnte bereits ein Einzel-

elektronentransistor mit Hilfe von definiert geknickten Kohlen-

stoffnanoröhren realisiert werden [Postma et al. 2001]. Den Arbeits-

gruppen von C. Dekker (TU Delft) und C.M. Lieber (Harvard University)

ist es auch gelungen, einfache funktionsfähige Schaltkreise aus Nano-

röhren zu konstruieren [Bachtold et al. 2001, Huang et al. 2001].

Auch Quantenpunkte aus Halbleiter-Nanopartikeln könnten ebenso wie

gezielt designte organische Moleküle (mit Halbleiter-Charakteristik bzw.

definierten Tunneleigenschaften) für die Realisierung von nanoskaligen

Computerbauteilen eine wichtige Rolle spielen.

Trotz der vielversprechenden Ergebnisse der Grundlagenforschung gibt

es noch einige zentrale Problemstellungen für die ein großer Beitrag

seitens der Nanobiotechnologie wünschenswert wäre:

Neben der gezielten Positionierung der Bauteile ist der Aufbau eines

komplexen Netzwerks von miteinander verknüpften molekularen

Schaltelementen das Hauptproblem. Obwohl mit Hilfe eines

Rasterkraftmikroskops die Kontrolle einzelner Moleküle gelingt,

erscheint es aufgrund dessen geringer Arbeitsgeschwindigkeit aussichts-

los, das gesamte Produktionsverfahren für einen Chip einschließlich der

Verdrahtung damit zu bewältigen. Die Nutzung von Selbstorganisations-

prozessen zum Aufbau molekularer Elektronikarchitekturen, wäre

deshalb ein sehr wichtiger Beitrag der Nanobiotechnologie, der gerade

für die Probleme des schnellen Zusammenbaus und der gezielten

Verdrahtung neue Möglichkeiten eröffnet (siehe auch Kapitel 2). Des

weiteren könnten funktionelle Bioeinheiten als molekulare Werkzeuge

auch bei der Positionierung von Bauteilen Verwendung finden (vgl.

Abschnitt 6.2.2).


7.1.17.1.17.1.17.1.1 Selbstorganisation für molekulare Selbstorganisation für molekulare Selbstorganisation für molekulare Selbstorganisation für molekulare ElektronikarchitekturenElektronikarchitekturenElektronikarchitekturenElektronikarchitekturen

Für eine zukünftige Molekularelektronik, die aus einzelnen, molekularen

Komponenten wie Drähten und Schaltelementen zusammengesetzt wäre,

stellen nanobiotechnologische, kontrollierbare Selbstorganisations-

prozesse eine ideale Basis als effiziente Konstruktionshilfe dar. Die

grundlegenden Verfahren der Selbstorganisation wurden bereits in

Kapitel 2.2 dargestellt.

Die Herstellung elektronisch ansteuerbarer Strukturen auf einem

Halbleiterchip wird auch von der Industrie mit großem Interesse verfolgt.

In diesem Zusammenhang sollen zwei EU-Projekte aus dem 5.

Rahmenprogramm kurz vorgestellt werden, an denen zwei große

Industrieunternehmen (Motorola bzw. Sony) beteiligt sind.

Im EU-Projekt "DNA based electronics"22 wird u.a. an der Entwicklung

von Methoden, die eine spezifizierbare Anordnung von Kohlenstoff-

Nanoröhren mit Hilfe von DNS-Markern erlaubt, gearbeitet. Dazu

werden zunächst kovalente Verknüpfungen von Nanoröhren mit DNS-

Strängen hergestellt, welche dann zur selektiven Bindung an komplemen-

täre DNS-Moleküle (quasi Ankerstellen für die Nanoröhren) dienen, die

auf einem Substrat (z.B. auf einem Halbleiterchips) fixiert sind.

Die Fixierung einzelner Nanoröhren mit DNS-Markern stellt einen

wichtigen Schritt auf dem Weg zur Nutzung von Selbstorganisations-

prozessen beim Aufbau komplexerer Chipstrukturen dar.

In dem in Abschnitt 2.2.3.1 bereits angesprochenen EU-Projekt

"BIOAND"23 sollen drei stufenweise aufeinander aufbauende Demon-

stratoren von kontaktierten Metall- bzw. Halbleiter-Nanoclustern

konstruiert werden (s. Abbildung 7.1):: zunächst die einfache

Kontaktierung eines einzelnen (a) Nanopartikels als funktioneller Einheit,

dann zweier benachbarter, mit einander verbundener Cluster auf einem

Siliziumsubstrat (b) und schließlich die Konstruktion eines Arrays von

kontaktierten Nanopartikeln auf quasi vorprogrammierten Plätzen, die

auf einem S-Schichtsubstrat positioniert sind (c). Die Kontaktierung

22 Beteiligte Partner: TU Delft (NL), Motorola S.A. – Prais (F), TU München (D), Universität Basel (CH), Technion-Israel Institute of Technology – Haifa (IL). Projektleitung: TU Delft, Projektkoordinator: Prof. C. Dekker 23 Beteiligte Partner: Sony International Europe GmbH– Stuttgart (D), Universität Hamburg (D), Consejo Superior de Investigaciones Cientificas – Barcelona (E), National University of Ireland – Dublin (IR), National Microelectronics Research Centre – Cork (IR), Zentrum für Ultrastrukturforschung – Wien (AU). Projektleitung: Sony International Europe GbmH, Hamburg; Koordinator: Dr. Jurina Wessels

a)

c)

b)

Abbildung 7.1: Zum BIOAND-Projekt.

Drei aufeinander

aufbauende Demonstratoren

(a), (b), (c)

(s. Text)

Quelle: EU-Projektbeschreibung;


bioand.htm

(b)

(c)

(a)


erfolgt über DNS-Stränge, die durch Hybridisierung mit einander

verbunden und anschließend metallisiert werden.

Im Rahmen dieses Projektes ist es gelungen, an den DNS-Molekülen

metallische Nanopartikel aus einer Lösung abzuscheiden, so dass der

resultierende Draht mit einem äußerst geringen Durchmesser gute

elektrische Eigenschaften aufwies.24

Die verschiedenen Anordnungen auf den Demonstratoren sollen Einzel-

elektronenübergänge bzw. resonante Tunnelcharakteristiken aufweisen.

7.27.27.27.2 Bioelektronische BauteileBioelektronische BauteileBioelektronische BauteileBioelektronische Bauteile

Neben der Anwendung molekularer biologischer Komponenten als Kon-

struktionshilfe wird auch die unmittelbare Verwendung funktioneller

Biomoleküle als elektronische oder optoelektronische Bauelemente in der

Molekularelektronik angestrebt.

Das wohl einfachste Bauelement, ein elektrisch leitender Draht, lässt sich

beispielsweise auf Basis metallisierter biologischer Moleküle wie DNS

und Mikrotubuli realisieren. Außerdem wird daran geforscht, ob DNS-

Moleküle selbst als elektrische Leiter benutzt werden können.

Jedoch konzentriert sich die Entwicklung von molekularen Elektronik-

bausteinen wie Drähte, Dioden und Transistoren nicht in erster Linie auf

biologische Verbindungen. Nach wie vor spielen anorganische Halbleiter

aber auch organische Verbindungen (z.B. trans-Polyacetylen, Poly-

diacetylen, Kohlenstoffnanoröhren oder Dithiol-Benzen-Derivate) die

weitaus größere Rolle. Hierbei sind insbesondere die Fortschritte bei den

leitfähigen Polymeren und den Kohlenstoffnanoröhren ermutigend. Über

deren chemische Bindungseigenschaften kann dann schließlich wieder

die Brücke zur Integration biologischer Moleküle geschlagen werden.

Im folgenden werden einige Beispiel für Biomoleküle dargestellt, die in

Zukunft eine Rolle für die Molekularelektronik spielen könnten, allen

voran die bereits angesprochenen Nanodrähte aus biologischen

Molekülen wie DNS. Photoelektrische Systeme werden im Abschnitt

7.2.2 vorgestellt. Im Anschluss daran folgt eine kurze Darstellung von

Forschungsanstrengungen, die auf biomolekulare Transistoren

ausgerichtet sind.

24 J. Wessels bei Fachgespräch Molekularelektronik, VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf (26.09.2001), vgl. [Hoffknecht/Hoffschulz 2001]


7.2.17.2.17.2.17.2.1 DNSDNSDNSDNS----Moleküle als NanodrähteMoleküle als NanodrähteMoleküle als NanodrähteMoleküle als Nanodrähte

Zur Verdrahtung elektronischer Bauteile auf der Nanoskala werden im

Bereich der Biomoleküle vor allem DNS-Stränge in Augenschein

genommen. Neben der relativ guten Handhabbarkeit und Stabilität liegt

der Vorteil der Nutzung von DNS-Ketten wiederum in der Fähigkeit,

komplementäre Bindungspartner zu erkennen, so dass molekulare

Verbindungen gezielt an vordefinierten Bindungspositionen angebracht

werden können.

7.2.1.1 Leitfähigkeit von DNS-Molekülen

Die elektrische Leitfähigkeit von DNS-Oligomeren ist derzeit noch nicht

vollständig geklärt, wenngleich es nach langen Kontroversen in einigen

Punkten Konsens gibt [Dekker/Ratner 2001]:

Das Rückgrat der Doppelhelixstruktur besitzt negativ geladene

Phosphatgruppen, die üblicherweise von positiven Gegenionen umgeben

sind. Im Inneren der Doppelhelix sind Basenpaare gestapelt, deren

Elektronenorbitale entlang der Helix teilweise überlappen und so

elektronischen Transport ermöglichen sollten.

Nach neueren Arbeiten scheinen zwei Transportmechanismen an der

Leitung des elektrischen Stroms entlang des Basenstapels beteiligt zu

sein: Zum einen tunneln Elektronen relativ schnell über eine kurze

Distanz von höchstens fünf Basenpaaren [Harriman 1999]. Der zweite

Mechanismus kann als "thermisches Hüpfen" der Elektronen bezeichnet

werden, vergleichbar mit einer Diffusion, bei der die Elektronen bzw.

Elektronenlöcher auf einem Basenpaar lokalisiert sind. Beide

Mechanismen wurden experimentell bestätigt [Giese et al. 1999].

Der Ladungstransport über weite Strecken sollte also durch eine Serie

kurzer Transporte erfolgen, wobei dem "thermischen Hüpfen" die

dominante Rolle zugesprochen wird.

Eine Untersuchung der Leitfähigkeit von DNS in der Gruppe von C.

Dekker konnte jedoch über Strecken von mehr als 100 nm überhaupt

keine Leitfähigkeit mehr nachweisen [C. Dekker, Workshop "DNA-based

molecular construction", Jena, 24.-25.05.2002].

In der Regel müssen die DNS-Stränge metallisiert oder Ionen eingebaut

werden, um eine für technische Zwecke angemessene Leitfähigkeit zu

erzielen. Im folgenden werden einige Forschungsarbeiten dazu kurz

dargestellt.


7.2.1.2 DNS-Moleküle mit eingelagerten Ionen

Die Wasserstoffbrücken der DNS-Doppelhelix, die sich zwischen den

Basenpaaren befinden, werden in stark basischer Umgebung aufge-

brochen und ermöglichen die Einlagerung positiver Metallkationen wie

z.B. Zn2+, Ni2+, Co2+ (M-DNS), die zu einer starken Erhöhung der

Leitfähigkeit führt [Aich et al. 1999]. Gleichzeitig besitzt diese M-DNS

weiterhin die Fähigkeit zur Hybridisierung mit komplementären Oligo-

meren. Eine darauf aufbauende Anwendung könnte auch die Entwick-

lung eines schnellen Detektionsverfahrens für Mutationen in der DNS

mit Hilfe von Leitfähigkeitsmessungen sein.25

7.2.1.3 Metallisierte DNS-Drähte

DNS-Stränge werden auch als Template genutzt, um durch deren

Metallisierung leitende, nanoskalige Drähte zu erhalten. Dies gelang

erstmals 1998, indem Forscher des Technion Israel Institutes of

Technology in Haifa Nanodrähte durch Abscheiden von Silber auf DNS-

Molekülen zwischen zwei Elektroden herstellten [E. Braun et al. 1998].

Zunächst wurden kürzere Oligomere mit Thiolgruppen an zwei Gold-

elektroden angebunden. Diese Ankergruppen wurden mit komplemen-

tären DNS-Strängen zu Drähten verbunden. Durch Abscheiden von

Silber aus einer Silberionen haltigen Lösung bildeten sich leitfähige

Silberdrähte mit ca. 100 nm Durchmesser. Durch die Wahl der Abschei-

dungsbedingungen können die elektrischen Eigenschaften der Nano-

drähte eingestellt werden.

Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist die Frage, ob das Prinzip auf

kompliziertere Anordnungen von Elektroden und DNS-Verbindungen

übertragbar ist.

7.27.27.27.2.2.2.2.2 Photoelektrische SystemePhotoelektrische SystemePhotoelektrische SystemePhotoelektrische Systeme

Viele biologische Moleküle reagieren auf Licht durch Umwandlung in

elektrische Signale. Damit kommen sie auch als wichtige Schnittstelle

zwischen elektronischer und optischer Datenverarbeitung in Frage. Im

folgenden werden einige biomolekulare photoelektrische Systeme,

aufgeteilt nach der Art der Biokomponenten, vorgestellt.

•= Bakteriorhodopsin

Aufgrund seiner photochromen und photoelektrischen Eigen-

schaften nimmt das Protein Bakteriorhodopsin eine herausragende

25 Pressemitteilung, University of Saskatchewan (21.5.2000)


Stellung bei der Verwendung als funktionelles Biomolekül für

Datenspeicherungszwecke und als bioelektronisches Material ein

(vgl. Abschnitt 7.4.1) [Hampp 2000a].

Der photoinduzierte Ladungstransport kann auch zur Entwicklung

von Photodetektoren und Bewegungssensoren auf Basis von

Bakteriohodopsin genutzt werden [Vsevolodov 1998].

Das Funktionsprinzip eines licht-adressierbaren Signalwandlers

wurde außerdem von Claudio Nicolini erforscht (Fondazione

El.B.A. – Advanced Electronic and Biotechnology, Genua)

[Nicolini et al. 1997].

•= Photosystem I

Aus dem Photosyntheseapparat der Pflanzen lässt sich ein

spezieller Proteinkomplex, das sogenannte Photosystem I (PS-I),

als komplexe Einheit isolieren, das sich wie eine stabile Diode

verhält [Lee et al. 1998]. Einige Eigenschaften dieses Protein-

komplexes machen ihn für technische Anwendungen interessant:

beispielsweise bindet das PS-I an metallische Oberflächen

[Lee/Lee/Greenbaum 1996], was eine Kombination eines solchen

Systems mit konventionell genutzten technischen Systemen

erleichtern dürfte. Ferner behält der isolierte Komplex bei

Metallisierung seine photophysikalischen Eigenschaften bei [Lee

et al. 1995]. Ein weiterer Vorteil ist, dass PS-I-Komplexe sich an

ebenen Flächen durch Selbstorganisation ausrichten [Lee/Lee/

Greenbaum 1997]. Am Oak Ridge National Laboratory werden

technische Anwendungsmöglichkeiten dieses funktionellen

Biomoleküls untersucht, wobei zur Zeit insbesondere an einem

Retina-Implantat gearbeitet wird. Ein visionäres und sehr

ambitioniertes Ziel der Forschungen ist es, PS-I-Komplexe als

molekulare, fehlertolerante Gatter für logische Operationen zu

benutzen [Greenbaum/Lee/Lee 1998].

•= DNS-Photodetektor

Ein Forscherteam vom italienischen Nationalen Nanotechnologie

Forschungsinstitut hat kürzlich mit Hilfe von DNS einen

Photodetektor konstruiert. Ein winziger Chloroform-Tropfen mit

Desoxyguanosin, einer der vier Basenbausteine der DNS, wurde

zwischen die Spitzen zweier Elektroden plaziert. Beim

Verdampfen des Chloroforms bilden sich durch Selbstorgani-

sation bandartige Strukturen zwischen den Spitzen der Elektroden


aus. Bei Lichteinfall entsteht aufgrund der photoelektrischen

Anregung der Elektronen eine Spannung zwischen den

Elektroden. Die Nukleosidbrücke ist etwa doppelt so

lichtempfindlich wie konventionelle Halbleiterphotodetektoren

[Rinaldi et al. 2001].

•= Phthalocyanin

Phthalocyanine, zu denen auch Chlorophyll und Häm gehören

(sie sind in Pflanzen und im Blut an elektronischen Transport-

prozessen beteiligt), zeigen auf einem leitenden oder halbleiten-

den Substrat eine elektro-optische Sensitivität, die nach [Nicolini

1995] eine Elektronen-Schaltzeit von weniger als einer Pico-

sekunde bei Raumtemperatur ermöglicht.

Es existieren außerdem eine ganze Reihe weiterer Molekülklassen, die

sich von biologischen Funktionseinheiten (z.B. Farbstoffzentren) ableiten

lassen, wie z.B. Porphyrine, Cytochrome etc, deren physikalische

Eigenschaften. (wie z.B. Photoaktivität oder Elektronentransfer) als funk-

tionelle Materialien für (opto)elektronische Bauelemente untersucht

werden. Diese Verbindungen, die teilweise nur noch das molekulare

Grundgerüst der biologischen Vorbilder enthalten, zeigen, dass

funktionale Biomoleküle als Modellsysteme für technische Einsatzmög-

lichkeiten verändert werden können. Dieser Grenzbereich der Nanobio-

technologie, bei dem die Modifikation bzw. Optimierung der Moleküle

im Vordergrund steht, ist aber eher als Teilgebiet der (metallorganischen)

Chemie anzusehen.

7.2.37.2.37.2.37.2.3 biomolekularer Transistor und Einzelelektronenbiomolekularer Transistor und Einzelelektronenbiomolekularer Transistor und Einzelelektronenbiomolekularer Transistor und Einzelelektronen----

TunnelelementeTunnelelementeTunnelelementeTunnelelemente

An dieser Stelle sollen noch kurz zwei Beispiele Erwähnung finden, die

darauf abzielen, auch das zentrale elektronische Bauelement der moder-

nen Informationsverarbeitung aus Biomolekülen zusammenzusetzen:

Wissenschaftler der Universitäten Viterbo, Lecce, Modena und Leiden

untersuchen beispielsweise ein einzelnes Kupfer-haltiges Protein

(Azurin) zwischen zwei 10 nm auseinander liegenden Mikroelektroden-

spitzen, um einen biomolekularen Transistor herzustellen. Dabei fungiert

das Azurin-Molekül als Transistorgatter, das über eine äußere Spannung


zwischen einem leitenden und einem isolierenden Zustand geschaltet

werden kann.26

Einen Einzelelektronentransistor haben E. Ben-Jacob, Z. Hermon, S.

Caspi von der Universität Tel Aviv vorgeschlagen [Ben-Jacob/Hermon/

Caspi 1999]. Ihr Konzept basiert auf einem Bauteil aus zwei

metallisierten, T-förmig verknüpften DNS-Strängen. An der Verknüpf-

ungsstelle selbst bleibt die DNS metallfrei. Diese Stelle fungiert als

Tunnelstromelement des Transistors, so dass über den einen DNS-Strang

die Grundspannung angelegt werden kann und die Gatter-Spannung über

den anderen DNS-Strang kapazitiv eingekoppelt wird.

Derzeit suchen Forscher z.B. am IPHT in Jena [W. Fritzsche, Workshop

"DNA based molecular construction", Jena, 24.-25.05.2002] nach Mög-

lichkeiten, die theoretischen Konzepte für DNS-Drähte unter zusätzlicher

Verwendung von Nanopartikeln zur Konstruktion molekularer Tran-

sistorelemente bzw. quantenmechanischer Bauteile umzusetzen.


Das Potenzial der Nanobiotechnologie für eine zukünftige Molekular-

elektronik lässt sich in zwei Bereiche einteilen:

1. Nanokonstruktion und Kontaktierung mittels Selbstorganisations-

verfahren

2. Molekularelektronische Bauteile

1) Nanobiotechnologische Selbstorganisationsverfahren könnten zum

Aufbau und zur Verknüpfung komplexer nanoskaliger Elektronik-

Architekturen genutzt werden. Hierunter fällt hauptsächlich die Nutzung

der Hybridisierungsfähigkeit von DNS-Molekülen. Diese Oligonukleo-

tide dienen dabei als Markierungen, die eine eindeutige Information über

die Verknüpfungsstellen eines Bauelementes innerhalb der Architektur

beinhalten.

2) Gleichzeitig kann eine Verknüpfung über DNS-Stränge als Draht zur

Kontaktierung von Bauelementen genutzt werden, wenn es gelingt, eine

26 Weitere Informationen hierzu finden sich im Internet unter: http://infm.cineca.it/preventivi_consuntivi/ preventivo01_b/difelice/project.pdf


ausreichende Leitfähigkeit (metallisierte DNS, geeignete Dotierung) zu

gewährleisten.

Des weiteren kommen funktionelle Biomoleküle auch für komplexere

Bauteile in Frage. Insbesondere photoelektrische Systeme stellen als

Signalwandler interessante Modellsysteme für bioelektronische

Anwendungen in der Optoelektronik dar.

Schwierigkeiten bereitet die Handhabung bioelektronischer Systeme auf

der molekularen Ebene, und die Herstellung von Bauteilen mit kon-

kurrenzfähigen Eigenschaften vor allem in Hinblick auf Leitfähigkeit,

Schaltgeschwindigkeit, Stabilität und großtechnischer Reproduzierbar-

keit. Molekularelektronische Bauteile auf nicht-biologischer Basis (z.B.

Kohlenstoffnanoröhren, vgl. [Hoffknecht/Hoffschulz 2002]) weisen in

vielerlei Hinsicht die besseren Eigenschaften auf. Eine endgültige

Favorisierung bestimmter Entwicklungsrichtungen kann aus heutiger

Sicht jedoch noch nicht vorgenommen werden.

Bei der Bewertung einer zukünftigen Molekularelektronik muss der ca.

40 jährige Entwicklungsvorsprung der konventionellen Halbleitertechnik

berücksichtigt werden. Die Erforschung der Optionen einer molekülba-

sierten elektronischen Informationsverarbeitung steht trotz der

Fortschritte speziell bei den Kohlenstoff-Nanoröhren noch am Anfang.

Die Molekularelektronik ist sicherlich noch über 10 Jahre von der

Umsetzung in Produkte entfernt. Dennoch ist es sinnvoll, den Weg für

die Entwicklung zukünftiger Anwendungen bereits jetzt zu ebnen und

anwendungsorientierte Machbarkeitsstudien durchzuführen. Auf dieser

Grundlage sollten sich die Chancen verschiedener Ansätze innerhalb der

Molekularelektronik auch besser beurteilen lassen. Das bereits vor-

handene Interesse der Halbleiter-Industrie im Sinne einer anwendungs-

orientierten Grundlagenforschung stellt für diesen Technologiebereich

eine sehr hilfreiche aber auch notwendige Umsetzungsbasis dar.

7.47.47.47.4 Bakteriorhodopsin und DNS als Datenspeicher Bakteriorhodopsin und DNS als Datenspeicher Bakteriorhodopsin und DNS als Datenspeicher Bakteriorhodopsin und DNS als Datenspeicher und Sicherheitsmerkmalund Sicherheitsmerkmalund Sicherheitsmerkmalund Sicherheitsmerkmal

In diesem Kapitel wird zunächst die funktionelle Vielfalt des Proteins

Bakteriorhodopsin dargestellt, vor allem in Hinblick auf dessen

photochrome und photoelektrische Eigenschaften, um im Anschluß daran

die Anwendungsperspektiven für Bakteriorhodopsin im Bereich der

Datenspeicherung und als Identifikationsmerkmal zu erörtern.

Molekularelektronik noch weit entfernt


Großes Potenzial für eine hohe Informationsdichte bieten auch DNS-

Moleküle, die als kompakt gewundene Ketten27 im Kern biologischer

Zellen die genetischen Informationen speichern. Die Daten sind dabei in

Form der Abfolge von Nukleinbasen kodiert (vgl. Abschnitt 7.4.4). Diese

Eigenschaft kann prinzipiell auch zur Kodierung von Information für

technische Zwecke genutzt werden.

7.4.17.4.17.4.17.4.1 Anwendungen von BakteriorhodopsinAnwendungen von BakteriorhodopsinAnwendungen von BakteriorhodopsinAnwendungen von Bakteriorhodopsin

Bakteriorhodopsin nimmt als funktionelles Biomolekül eine heraus-

ragende Stellung ein. Deswegen sollen an dieser Stelle kurz die

unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten, die im Rahmen der

Nanobiotechnologie eine Rolle spielen können, diskutiert werden.

Es lassen sich drei grundsätzliche Wirkungsmechanismen für

Bakteriorhodopsin identifizieren [Hampp 2000a]:

•= Photochromie

•= Photoelektrizität

•= Phototransport von Protonen

Prinzipiell bietet Bakteriorhodopsin die Voraussetzungen für einfache

(opto-) elektronische Bauteile (vgl. Abschnitt 7.2.2). Es besitzt darüber

hinaus eine bemerkenswerte thermische und chemische Stabilität (in

Wasser bis zu 80 °C, in getrockneter Form bis 140 °C stabil, sowie

beständig über einen pH-Wert Bereich von 2-12 und gegen einige

organische Lösungsmittel). Für (modifiziertes) Bakteriorhodopsin exis-

tiert eine ganze Palette von Anwendungsmöglichkeiten [siehe z.B.

Hampp 2000a, Hampp 2000b]. In der Tabelle 7.1 sind einige davon

zusammengestellt.

Ladungstransport photoelektrisch photochrom - ATP Generierung - Meerwasserentsalzung - Elektrizitätserzeugung

- ultraschnelle Lichtdetektion / Strahlungsdetektion

- Photodetektor - Künstliche Retina - Bewegungsdetektor

- Informationsspeicher (2D, 3D, holografisch)

- optischer Lichtschalter - Signalkonditionierung - Lichtmodulator (Pha-

senkonjugation etc.) - neuronale Netze,

Mustererkennung - Interferometrie

Tabelle 7.1: Anwendungsmöglichkeiten für Bakteriorhodopsin

27 Die ca. 6⋅109 Basenpaare mit einer Gesamtlänge von ca. 2 m sind auf 46 DNS-Moleküle, die das menschliche Genom bilden, verteilt und befinden sich im nur etwa 10µm durchmessenden Zellkern.


Für die unterschiedlichen Anwendungsmöglichkeiten sind allein in Japan

60 Patente vergeben worden, in den USA 24 und in Europa lediglich 13

Patente [Hampp 2000a].

Je nach Art der Anwendung ist eine unterschiedliche Qualität, z.B. eines

Bakteriorhodopsin-Films, hinsichtlich der gleichmäßigen Orientierung

und Verteilung des Bakteriorhodopsins, sowie der Porösität und Dicke

erforderlich.

Bakteriorhodopsin-Moleküle ohne langreichweitige Ordnung in einer

Polymermatrix eignen sich z.B. für Anwendungen, die allein auf den

photochromen Eigenschaften basieren. Im Vergleich dazu ist eine homo-

gene Verteilung bei der Informationsverarbeitung und -speicherung

wichtig. Zu den photoelektrischen Anwendungsmöglichkeiten (genutzt

wird die photoinduzierten Ladungstrennung) zählt u.a. auch die

Entwicklung einer künstlichen Retina: eines in Pixel unterteilten,

photoelektrischen Detektors, der optische in elektronische Informationen

umwandelt, ähnlich wie es in der natürlichen Retina geschieht.

Verschiedene Möglichkeiten wurden untersucht, um das Bakterio-

rhodopsin selektiv an technische Bedürfnisse anzupassen [Ni et al. 1990]:

•= genetische Mutationen an der Aminosäuresequenz des Chromo-

phors und des Protonentransportweges

•= chemische Modifikationen am Chromophor

Eine herausragende, für technische Anwendungen wichtige Eigenschaft

ist die Photochromie, d.h. der lichtinduzierte Farbwechsel, der reversibel

und mit einer exzellenten Lichtechtheit abläuft. In der gentechnisch

veränderten Variante BR-D96N 28 wird z.B. die Lichtempfindlichkeit

erhöht und die Lebensdauer des Zwischenzustands M von Millisekunden

auf Minuten gesteigert. Dies hat zur Folge, dass eine lilafarbene

Purpurmembranschicht aus BR-D96N durch intensive Bestrahlung mit

Licht ausgebleicht werden kann (blaßgelb), während der natürliche Typ

BR-WT keine Anzeichen für eine solche Veränderung zeigt. Die

Beständigkeit über viele Millionen Farbwechsel ist von anderen

synthetischen photochromen Verbindungen bisher unerreicht (sie

erreichen nur 10 000 bis 100 000 Zyklen).

7.4.27.4.27.4.27.4.2 Datenspeichersysteme mit BakteriorhodopsinDatenspeichersysteme mit BakteriorhodopsinDatenspeichersysteme mit BakteriorhodopsinDatenspeichersysteme mit Bakteriorhodopsin

Bei natürlichem Bakteriorhodopsin (wild type, WT-BR) wird durch die

Absorption von Lichtquanten ein Photozyklus angeregt, der verschiedene

28 D96N bezeichnet die Position, an der eine Aminosäure ausgetauscht ist.


elektronische Zustände durchläuft. Einige spezielle Zustände können

durch Laserlicht verschiedener Wellenlänge hin und her geschaltet

werden. Die Übergänge zwischen bestimmten Zuständen sind

gleichzeitig mit strukturellen Veränderungen verknüpft, welche die

Lebensdauer einer Konfiguration entscheidend beeinflussen können.

Durch geeignete Nutzung und Veränderung der Zwischenzustände und

Lebensdauern können die photochromen Eigenschaften von

Bakteriorhodopsin gezielt zur Informationsspeicherung eingesetzt

werden.

Ein Funktionsmuster für einen solchen optischen Datenspeicher wurde

im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts "B-Safe" mit Partnern aus der

Industrie in Form eines einmal beschreibbaren Datenstreifens auf einer

Ausweiskarte realisiert.29 Die dabei verwendete Bakteriorhodopsin-

Variante kann durch grünes Licht von lila (Grundzustand) nach gelb in

den angeregten "M-Zustand" geschaltet werden, welcher wiederum durch

blaues Licht in den Grundzustand zurückgeschaltet werden kann. In

einem 60 x 10 mm großen Test-Speicherbereich kann damit eine

Datenmenge aus Bildern oder digitalen Daten von ca. 1 Megabyte

gespeichert werden.

Ein dreidimensionaler optischer Volumenspeicher ist ein weiterer

Bakteriorhodopsin-Speichertyp, der seit längerem untersucht wird, sich

aber noch immer in einem Versuchsstadium befindet [Birge et al. 1999].

Hierbei müssen hohe technische Anforderungen erfüllt werden, u.a. bei

der Laseranordnung und –steuerung sowie bei Herstellung des

Speichermediums selbst. Anwendungsziel ist ein Massenspeicher, der

aber angesichts der kontinuierlich steigenden Leistungsfähigkeit

etablierter Speichermedien, kaum als ernsthafte Konkurrenz anzusehen

ist.

Schließlich ist Bakteriorhodopsin prinzipiell auch zur holografischen

Datenspeicherung geeignet. Allerdings ist hier große Konkurrenz durch

andere Holografiespeichermaterialien gegeben, z.B. Lithiumniobat oder

chemisch synthetisierte Spezial-Blockcopolymere.

Darüber hinaus stellt sich wiederum die kritische Frage, ob bei der

rasanten Weiterentwicklung konventioneller Datenspeicher die Holo-

grafie-Speichertechnik (unabhängig vom eingesetzten Datenträgermate-

rial) überhaupt eine konkurrenzfähige Alternative darstellen kann.

29 InfoPhysTech, Nr. 40, "Bakteriorhodopsin als photochromes Sicherheitspigment und biologischer Datenspeicher", VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf (2002); kostenloser Download unter www.vdi.de/infophystech.

Bakteriorhodopsin-Speichervarianten

optischer Datenspeicher


7.4.37.4.37.4.37.4.3 Sicherheitstechnische Anwendungen von Sicherheitstechnische Anwendungen von Sicherheitstechnische Anwendungen von Sicherheitstechnische Anwendungen von BakteriorhodopsinBakteriorhodopsinBakteriorhodopsinBakteriorhodopsin

Die Farbwechseleigenschaft des genetisch modifizierten Bakterio-

rhodopsins BR96N bietet die Option, neuartige Sicherheitspigmente aus

diesem Material herzustellen, die zum Fälschungsschutz eingesetzt

werden können. Durch den mit bloßem Auge wahrnehmbaren

Farbwechsel von lila zu blaßgelb ist kein zusätzliches Gerät für die

Detektion erforderlich.

Um solche Pigmente für Tinten und Druckfarben [Hampp/Neebe/Seitz

2000] zu erhalten, werden im Rahmen des "B-Safe"-BMBF-Projekts

(vgl. Fußnote29) mikro- und nanotechnologische Verfahren eingesetzt

(Nanopartikelbildung, Mikroverkapselung, Elektro-Koagulation). Wird

ein Dokument mit einer solchen Druckfarbe versehen, zeigt das

enthaltene Bakteriorhodopsin im unbelichteten Zustand eine violette

Farbe. Unter dem Licht einer Schreibtischlampe oder einer anderen

intensiveren Strahlungsquelle verblasst das Pigment zu gelb. Dieser

Farbwechsel ist schnell genug, damit er auch während eines

Kopiervorgangs ausgelöst wird. Damit läßt sich eine Kopie leicht vom

Original unterscheiden. Im Dunkeln kehrt das Bakteriorhodopsin auf dem

Originaldokument wieder in den violetten Ausgangszustand zurück.

Eine weitere Möglichkeit das Bakteriorhodopsin als Sicherheitsmerkmal

einzusetzen liegt in dem Aufbau des Proteinkomplexes aus 248

Aminosäuren. Viele davon sind für die photochromen Eigenschaften

nicht relevant sind (z.B. die außerhalb der Trägermembran liegenden

Kettenteile). Durch gentechnische Modifizierung können solche

Aminosäure-Teilsequenzen ausgetauscht werden und, ähnlich wie die

Basensequenzen in DNS-Molekülen, zur Kodierung von Informationen

verwendet werden (vgl. nächster Abschnitt). Die Reihenfolge und Art der

Aminosäuren könnte somit als eine Art Adressaufkleber z.B. die exakte

Herkunft eines Dokuments festlegen: Charakteristische Aminosäure-

ketten lassen sich identifizieren und so der Ursprung des Dokuments

zurückverfolgen.

7.4.47.4.47.4.47.4.4 DNSDNSDNSDNS----DatenspeicherDatenspeicherDatenspeicherDatenspeicher

Die gesamte Erbgutinformation ist in der Basenabfolge der DNS

gespeichert, die sich über Tausende von Genen erstreckt, die wiederum

aus unterschiedlich langen Abschnitten von DNS bestehen. Es bietet sich

deshalb an, die "natürliche Form" der Datenspeicherung auch

nanobiotechnologisch zu nutzen, indem spezielle Basenabfolgen mit

Sicherheits-farbpigmente mit Bakteriorhodopsin

Aminosäuresequenz als Identifizierungscode


bestimmten Werten (einzelne Bits) identifiziert werden, die durch

Sequenzanalyse der DNS wieder ausgelesen werden können.

Speziell für Langzeitdatenspeicherung bzw. Archivierung erscheint DNS

aus mehreren Gründen geeignet: bei entsprechender Lagerung kann die

Information im Prinzip sehr lange lesbar gehalten werden. Vorteilhaft ist

außerdem, dass sich die DNS-Analytik aufgrund ständiger Verbesser-

ungen aller Voraussicht nach in Zukunft zu einer grundlegenden Technik

entwickeln wird. Zudem lässt sich das Informationsträgermolekül mit

einfachen Mitteln (PCR)30 vervielfältigen, so dass genügend Sicherheits-

kopien bei geringem Platzbedarf angelegt werden könnten.

Nachteile sind der labortechnische Aufwand beim Schreiben und Lesen

der Daten, die geringe Schreib-/Lese-Geschwindigkeit und die (zwar

geringe aber trotzdem zu berücksichtigende) Fehlerrate bei der

Vervielfältigung mit der PCR-Methode.

Eine experimentelle Umsetzung des generellen Funktionsprinzips wurde

kürzlich für einen komplexen Beispielsatz mit Hilfe zweier

unterschiedlicher Sorten von DNS-Molekülen mit programmierter

Basensequenz als Informationsträger und mittels selektiver PCR-

Vervielfältigung zum Auslesen der Daten demonstriert [Bancroft et al.

2001].

Michael K. Heller hat ein Konzept für einen optischen multi-

Wellenlängen-DNS-Speichers entworfen.31 Dazu werden Oligonukleotide

an vorprogrammierten Plätzen auf einem Chip positioniert und an-

schließend mit weiteren DNS-Molekülen hybridisiert. Diese tragen unter-

schiedliche Fluoreszenzmarker und können auf mehreren Frequenzen

Daten speichern. Die sich aus den verschiedenen DNS-Doppelsträngen

und Fluoreszenzmarkern ergebenden Lumineszenzmuster können mit

Quenchern oder Donor- und Akzeptormolekülen modifiziert werden, um

unterschiedliche Helligkeiten und Farben zu erzeugen. Auf diese Weise

enthält ein von einem Laserstrahl abgetasteter Bereich ein Vielfaches an

Information und liefert eine multi-spektrale Antwort auf den Teststrahl.

Das Funktionsprinzip wurde bereits experimentell umgesetzt: Insgesamt

konnten 100 Typen geeigneter Chromophore identifiziert und bis zu 256

Bit auf einer Fläche von ca. 1 µm Durchmesser gespeichert werden.

Aufgrund der bereits oben genannten Nachteile beim Schreiben der

Daten, ist auch bei diesem Verfahren kaum damit zu rechnen, dass es

sich gegenüber bekannten Massenspeichermedien (CD, DVD, Festplatten

etc.) durchsetzen kann.

30 Polymerasekettenreaktion 31 Nanogen, Inc. San Diego, siehe Investor/News „That DNA sound fantastic! Nanogen explores a new biotech Hi-Fi application“, www.nanogen.com

Informationscodierung mit DNS

optischer DNS-Datenspeicher


7.4.57.4.57.4.57.4.5 DNSDNSDNSDNS----SicherheitsanwendungenSicherheitsanwendungenSicherheitsanwendungenSicherheitsanwendungen

Die Basenabfolge eines DNS-Abschnittes kann natürlich auch zur

Verschlüsselung von Information eingesetzt werden. Im folgenden

werden zwei Beispiele für diesen Anwendungsbereich gegeben.

An den Universitäten Dortmund und Köln hat man zur Demonstration

eines Steganografie-Verfahrens32 eine verschlüsselte DNS-Nachricht mit

unzähligen anderen DNS-Strängen gemischt.33 Der Empfänger kann die

richtige DNS jedoch nur herausfiltern, wenn er den passenden Schlüssel

(d.h. die komplementäre DNS-Basenfolge) besitzt.

Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert ein DNS-Produktschutz, der

von der Firma "november AG"34 entwickelt wird. Um sich gegen

Produktpiraterie zu schützen, können komplementäre DNS-Einzelstränge

benutzt werden, von denen der eine in extrem niedriger Konzentration

auf das Produkt aufgebracht wird. Der zweite wird zu einem

"Haarnadelmolekül" gebogen und am Ende mit einem Nanopartikel-

Fluoreszenzmarker sowie einer gegenüberliegenden Quench-Gruppe

versehen, durch die im gebogenen Zustand die Fluoreszenz unterdrückt

wird. Erst wenn das Molekül durch Hybridisierung mit der exakt

passenden DNS-Sequenz wieder aufgebogen wird, fluoresziert der

Farbstoff und kann identifiziert werden.

Um den zur Kodierung benutzten Teil der DNS zu verstecken, ist er

zusätzlich zusammen mit nicht-kodierenden Teilsequenzen am Produkt

angebracht. Eine Fälschung wird dadurch noch weiter erschwert, da

hierfür eine präzise Nachstellung aller DNS-Moleküle erforderlich wäre.

Die Beispiele zeigen (wie auch die programmierte Selbstorganisation,

vgl. 2.2.2), dass die Entwicklung von Verfahren zur definierten

Herstellung von Basensequenzen35 auch für nicht Life-Science-

Anwendungen von Beutung ist.

32 Bei der Steganografie wird die kodierte Nachricht in einer Vielzahl ähnlicher Informationsträger versteckt. 33 Informationsdienst Wissenschaft (www.idw-online.de) „Erbgutmolekül DNA eignet sich zum Verschlüseln von Daten“, 13.09.2000 34 Weiterführende Informationen zur "Ident-Technik" findet man auf der Firmen-Webseite www.november.de. 35 Die Firma Egea Biosciences z.B. hat ein System entwickelt (GeneWriter), dass die programmierte, fehlerfreie Zusammensetzung von bis zu 10 000 Basenpaaren in 48 Stunden ermöglicht (www.egeabiosciences.com).



Die photochromen und photoelektrischen Eigenschaften des Protein-

komplexes Bakteriorhodopsin lassen sich prinzipiell für die Daten-

speicherung nutzen. Dabei wird ein durch externe Lichtsignale

steuerbarer Photozyklus ausgenutzt. Durch gentechnisches oder

chemisches Modifizieren der Proteinstruktur und des Chromophors

lassen sich die photochromen Eigenschaften des Moleküls anpassen, so

dass durch Laserlicht Daten geschrieben und gelesen werden können.

Wie bereits erwähnt, ist es im Vergleich zu der rasanten Verbesserung

konventioneller Speichertechnologien sehr fraglich, ob Systeme auf Basis

von Bakteriorhodopsin damit jemals mithalten können. Außerdem besteht

speziell bei holografischen Speichersystemen starke Konkurrenz seitens

anderer Materialsysteme (siehe 7.4.2). An dieser Stelle sei im speziellen

noch auf die supramolekularen Ansätze von Hewlett-Packard in

Zusammenarbeit mit der UCLA hingewiesen [Collier et al. 2000, Collier

et al. 1999]. Auch sie stellen alternative Speichersysteme auf

molekularem Niveau mit hoher theoretischer Speicherdichte in Aussicht.

Das vorgestellte Kopierschutzverfahren, bei dem Bakteriorhodopsin als

Sicherheitsmerkmal Verwendung findet, ist im Vergleich dazu

wesentlich anwendungsnäher, leichter realisierbar und als Echtheits-

schutz für Dokumente durchaus als konkurrenzfähig zu erachten.

Auch bei der Verwendung von DNS-Molekülen haben sicherheits-

technische Anwendungen gegenüber reinen Speicherzwecken weitaus

bessere Marktchancen. Mögliche Konkurrenz zur individuellen Mar-

kierung von Objekten (sogenanntes "Barcoding") besteht jedoch durch

andere Verfahren, die z.B. mit unterschiedlich fluoreszierenden Nano-

partikeln in Mikrokügelchen (Firma QuantumDot Corp.) oder mit

metallischen Nanoröhren (Firma Nanoplex Technologies, Inc.) arbeiten.

7.67.67.67.6 DNS zur Informationsverarbeitung (DNA DNS zur Informationsverarbeitung (DNA DNS zur Informationsverarbeitung (DNA DNS zur Informationsverarbeitung (DNA Computing)Computing)Computing)Computing)

Mit dem Begriff "DNA-Computing" verbindet sich die Vorstellung,

biologische Informationsverarbeitung auf der Basis des Hybridisierungs-

prozesses von DNS-Molekülen, also dem Erkennen komplementärer

Abschnitte, in höchstleistungsfähige molekulare Rechensysteme


umzusetzen. Im folgenden wird das Grundprinzip kurz erläutert, und der

Bezug zur Nanobiotechnologie diskutiert.

Zur Lösung eines Optimierungsproblems (z.B. des Travelling-Salesman-

Problems) wird in der Regel folgende Strategie vorgeschlagen bzw. für

einfache Probleme im Labormaßstab bereits angewandt:

Zunächst werden aus gezielt synthetisierten Startmolekülen mit definier-

ten ("programmierten") Basensequenzen sämtliche Lösungsmöglich-

keiten (z.B. "alle möglichen Wege von A nach B") für das gegebene

Problem generiert. Aus diesen wird in mehreren Schritten die gesuchte

optimale Lösung extrahiert, die eine zusätzliche Bedingung erfüllen muss

(z.B. "der kürzeste Weg von A nach B"). Dabei kommen normalerweise

verschiedene biotechnologische Verfahren zur Manipulation von DNS-

Molekülen zum Einsatz, z.B.

•= Veränderung der DNS-Ketten mit Restriktionsenzymen und

Ligasen

•= Gelelektrophorese und Massenspektrometrie als Selektions-

verfahren

•= PCR zur Vermehrung spezifischer DNS-Stränge

•= Sequenzanalyse-Verfahren wie DNS-Chips etc.

Da die Bildung der hybridisierten DNS-Doppelstränge einen massiv

parallelen Prozess darstellt, der binnen weniger Sekundenbruchteile

abläuft, wird dem DNA-Computing immer wieder ein grosses Potenzial

zugeschrieben.

7.6.17.6.17.6.17.6.1 Beispiele für DNSBeispiele für DNSBeispiele für DNSBeispiele für DNS----RechensystemeRechensystemeRechensystemeRechensysteme

Zur Lösung kombinatorischer Probleme, wie etwa einer vereinfachten

Version des Travelling-Salesman-Problems, hat z.B. L. Adleman das

oben beschriebene DNA-Computing-Verfahren angewandt (die jeweili-

gen Einzelschritte wurden bereits in einer anderen Technologieanyse

dargestellt [Böltau 2000]). Mittlerweile ist es einem Forscherteam um L.

Adleman und P. Rothemund gelungen, ein spezielles 20 Variablen

umfassendes Problem auf Basis von DNS-Rechenverfahren zu lösen

[Braich et al. 2002]

Im Prinzip lassen sich mit DNS-Molekülen auch die einzelnen logischen

Operationen durchführen, die in konventionellen Computern ablaufen

[Borchard-Tuch 2000]. Dies wurde in verschiedenen Ansätzen verfolgt

[Regaldo 2000, Mao et al. 2000] und geschieht unter sukzessiver

Durchführung verschiedener Reaktionen, die mit entsprechendem


Arbeitsaufwand verbunden sind [Lipton 1996, Rothemund 1996,

Gupta/Parthasarathy/Zaki 1997]. Dieser Aufwand läßt sich durch die

Verwendung von Festkörperoberflächen als Basis des DNS-Rechners

verringern, indem die repetitiven chemischen Prozesse vereinfacht

werden [Liu et al. 2000]. Zugleich ist diese Methode, die in Abbildung

7.2 erläutert wird, ein Beispiel dafür, wie typische Verfahren aus der

Nanobiotechnologie, z.B. die Anbindung von DNS über eine Thiol-

Gruppe an eine Gold-Oberfläche, für das DNA-Computing eingesetzt

werden können.

Von den künftigen Entwicklungen der Nanobiotechnologie, speziell im

Bereich der nanoskaligen Hybridsysteme und der DNS-Selbst-

organisation, dürfte dann auch die Weiterentwicklung dieses

oberflächengebunden DNA-Computings, sowie die DNS-Analyse selbst,

profitieren.

Ein anderes DNS-Rechensystem basiert auf nanobiotechnologisch

hergestellten, zweidimensionalen DNS-Flechtwerken (vgl. Abschnitt

2.2.2.2), die zur Ausführung logischer Operationen gemäß ihrer

programmierten Kombinationsmöglichkeiten miteinander verknüpft

werden. Durch die richtige Verknüpfung entsteht ein ununterbrochener,

durch alle Flechtwerke gehender DNS-Strang, der als Ausgabe-DNS

benutzt wird, und an dem sich das Ergebnis der Rechnung durch

Basensequenzanalyse ermitteln lässt [Mao et al. 2000]. Anwendungs-

Abbildung 7.2: DNS-Rechner auf Festkör-

persubstrat.

Ausgangspunkt ist zunächst

die Erzeugung von DNS-

Einzelmolekülen. Diese

werden mit einer reaktiven

Gruppe versehen und unge-

ordnet an die Festkörper-

oberfläche gebunden (2).

Die Rechenoperationen

laufen zyklisch in drei

Schritten ab (3-5): zunächst

werden die Moleküle, die in

der Lösungsmenge

verbleiben sollen, mit kom-

plementären DNS-Strängen

hybridisiert (3). Danach

entfernt man mit einem

Enzym, das oberflächenge-

bundene DNS-

Einzelstränge zerstören

kann, die nicht

hybridisierten DNS-

Moleküle (4). Die ver-

bliebenen DNS-Molekülen

werden durch Entfernen der

komplementären DNS-

Stränge für die nächste

Operation vorbereitet (5).

Nach der letzten

Rechenoperation können

die übriggebliebenen

Moleküle, die an der Ober-

fläche haften, unmittelbar

analysiert werden (6).


möglichkeiten liegen hier eher in der programmierten Selbstorganisation

von größeren DNS-Bauteilen (vgl. Abschnitt 2.2.2.2).

Ein guttes Beispiel für eine systematische Vorgehensweise ist die

Entwicklung eines automatisierten DNS-Rechensystems aus einem

"Software-System" (Daten-DNS- und Programm-DNS-Doppelstränge mit

nicht hybridisierten, "klebrigen" Enden) und einem "Hardware-System"

(zwei Enzyme, Fok-I und Ligase, zum programmierbaren

Auseinanderschneiden und Zusammenfügen von DNS-Strängen)

[Benenson et al. 2001]. Es erlaubt die Konstruktion kleiner Programm-

einheiten (Automaten) mit verschiedenen Ausgabezuständen. Eine

Kombination solcher elementaren Programme kann z.B aus einer Liste

von Nullen und Einsen bestimmen, ob die Zahl der Einsen gerade oder

ungerade ist oder alle Nullen vor den Einsen stehen etc.36

Abschliessend soll ein weiteres Beispiel die technologische Vielfalt

innerhalb dieses Forschungsbereiches widerspiegeln.

An der GMD in St. Augustin wurden in der BioMIP-Gruppe von

J. McCaskill z.B. ein optisches Programmierverfahren für die DNS-

Oligonukleotide und ein ausgeklügelter Durchfluss-Mikroreaktor zur

automatisierten Analyse der DNS-Ergebnis-Moleküle entwickelt [Gast/

Noort 2000]. Analog zu anderen Methoden, die in der Nanobio-

technologie zum Einsatz kommen, werden DNS-Fragmente an

paramagnetische Mikrokügelchen geheftet. Diese magnetisierbaren

Partikel erlauben einen automatisierten Transport in einer Kaskade von

Selektionsmodulen, in denen spezifisch DNS-Stränge aus dem Gemisch

der DNS-Moleküle herausgefiltert werden.

7.77.77.77.7 ZuZuZuZusammenfassende Bewertungsammenfassende Bewertungsammenfassende Bewertungsammenfassende Bewertung

Das DNA-Computing basiert auf der Eigenschaft von DNS-Molekülen,

selektiv an komplementäre DNS-Fragmente zu binden, und der

Möglichkeit, praktisch beliebige Basensequenzen zu synthetisieren und

zu analysieren. Im Prinzip verlaufen die Berechnungen aufgrund der

extrem hohen Zahl gleichzeitig ablaufender Bindungsereignisse bei

entsprechend vielen DNS-Molekülen hochparallel.

36 NovusGene Inc., eine Joint-Venture von Olympus Optical und Mitsui Knowledge Industry, hat am 28.01.2002 die Entwicklung des weltweit ersten automatischen DNA-"Rechners", der zur Gen-Analytik eingesetzt werden soll, bekannt gegeben (vgl. auch [D. Normile 2002])


Ein erzielbarer Mehrwert im Vergleich zu konventionellen Computer-

systemen und deren rasanter Weiterentwicklung (von Alternativ-

perspektiven wie die Molekularelektronik gar nicht erst zu reden) ist

jedoch eher skeptisch zu beurteilen:

Zunächst sind andere Rechnersysteme selbstverständlich ebenfalls

parallelisierbar. Darüber hinaus ist das DNA-Computing dadurch

limitiert, dass die benötigte Materialmenge37 mit der Komplexität des zu

lösenden Problems stark anwächst – zumindest wenn man die

Parallelisierung durch Erzeugung aller denkbaren Lösungsmöglichkeiten

als einfaches "trial and error" Verfahren gebraucht.

Obwohl die einzelnen Reaktionszeiten für die auftretenden Hybridisier-

ungen sehr kurze Rechenzeiten möglich erscheinen lassen, liegt ein

weiterer Engpass in der Geschwindigkeit, mit der die spezifischen DNS-

Basensequenzen hergestellt und ausgelesen werden können (die Schreib-

Lese-Geschwindigkeit für Daten).

Anhand dieses Problems, das auch für den Biochip-Bereich bzw. die

Gentechnik i.a. von großer Bedeutung ist, lässt sich der Bezug zwischen der Nanobiotechnologie und dem DNA-Computing darstellen: Es wird

gehofft, dass speziell durch innovative Methoden aus dem Bereich der

Nanobiotechnologie nanoskalige Auslesemethoden und Herstellungs-

prozesse zur Erzeugung differenzierter, funktionaler DNS-Anordungen

ermöglicht bzw. wesentlich verbessert werden.

Es ist aus heutiger Perspektive schwer vorstellbar, dass sich das DNA-

Computing für den IuK-Bereich zu einer konkurrenzfähigen Technologie

weiterentwickeln kann. Es ist aber durchaus denkbar, dass die Schnitt-

stellen und verwandten Aspekte zum High-throughput Screening38 (vor

allem das spezifische Erkennen, Anordnen und Herstellen bestimmter

biologischer Substanzen) zu einer konstruktiven Synergie zwischen

Konzepten und Methoden aus dem DNA-Computing und dem

analytischen Life-Science-Bereich führen werden.

7.87.87.87.8 BeitragBeitragBeitragBeitrag zur Neurotechnologie zur Neurotechnologie zur Neurotechnologie zur Neurotechnologie

Die Nanobiotechnologie bewegt sich an der molekularen Schnittstelle

von biologischen Systemen mit technischen Umgebungen. Auch auf

37 Hiermit sind Probleme verbunden von der benötigten Grösse des Reaktionsgefässes über die Reaktionssteuerung bis zu einer evtl. nicht mehr vernachlässigbaren Fehlerrate bei der Vielzahl an chemischen Reaktionen, die sich ereignen. 38 Dieser Bereich und die zugehörigen nanobiotechnologischen Verfahren werden in der nachfolgenden Technologieanalyse (Nano2Bio) dargestellt.


neuronaler Ebene wird eine Verbindung dieser beiden Welten angestrebt.

Wäre man beispielsweise nach dem biologischen Vorbild des

Gehirnaufbaus in der Lage künstliche hybride neuronale Netze

aufzubauen, könnten hochflexible, lernfähige Systeme für

informationstechnische Anwendungen hergestellt werden.

Solche Anwendungsvisionen liegen noch weit in der Zukunft. Es wird

jedoch in der Neurotechnologie und -biologie bereits seit längerem an

den Grundlagen solcher neuronaler Verschaltungen und der

Reizsteuerung für medizinisch-therapeutische Anwendungen geforscht.

Bereits heute können im Rahmen der Neurobionik z.B. einfache Retina-

oder Cochlear-Implantate realisiert werden, die die Wiederherstellung

der rudimentären Sinnesfunktionen beim Sehen bzw. Hören ermöglichen.

Auch Epilepsie-Anfälle können durch Elektroden, die ins Gehirn

eingepflanzt wurden und dort Nervengewebe stimulieren, abgemildert

oder gar verhindert werden.

Obwohl Nervenzellen bereits auf der Mikrometerskala angesteuert

werden können, sollte durch die Nanobiotechnologie besonders in

Hinblick auf die Entwicklung molekularer Schnittstellen eine

Verbesserung des technisch-biologischen Informationsaustausches zu

erzielen sein.

Im folgenden werden einige Beispiele aus der Neurotechnologie

vorgestellt, um u.a. die langfristige Perspektive der Kopplung zwischen

Elektronik und Nervenzellen zu neuronalen Netzwerken aufzuzeigen.

7.8.17.8.17.8.17.8.1 Neuronale SchnittstellenNeuronale SchnittstellenNeuronale SchnittstellenNeuronale Schnittstellen

Die Signalübertragung zwischen einem Siliziumsubstrat und einer

Nervenzelle läßt sich über eine kapazitive Kopplung realisieren (vgl.

[Fromherz 2001]). Auf diese Weise ist es möglich, mit einem Feldeffekt-

Transistor die Signalübertragungsaktivität des Neurons zu messen bzw.

durch einen Spannungsimpuls vom Silizium-Chip aus die Nervenzelle

anzuregen.

Beispielsweise hat man in der Arbeitsgruppe um P. Fromherz vom MPI

für Biochemie die Aktivität einer Nervenzelle aus einem Rattenhirn

gemessen, die auf einen Siliziumchip mit einer Kette von Feldeffekt-

Transistoren plaziert und dort mehrere Tage kultiviert wurde

[Vassanelli/Fromherz 1999]. Es gelang den Forschern auch, in einem

Netzwerk aus Nervenzellen auf einem speziell präparierten Siliziumchip,

die Signalübertragung zwischen zwei durch Nervenfortsätze (Neurite)

verbundenen Zellen zu beobachten [Zeck/Fromherz 2001].


Die Signalübertragung durch Nervenzellen innerhalb eines neuronalen

Netzwerkes wird vor allem über spezifische Ionenkanäle (z.B. für

Natrium- oder Kaliumionen) gesteuert, die sich an bestimmten Stellen in

der Doppellipidmembran der Nervenzelle befinden. Der Erforschung

ihres strukturellen Aufbaus und ihrer Wirkungsweise kommt eine

besondere Bedeutung für die Neurotechnologie zu.

Prinzipiell könnten verschiedene Zustände von Ionenkanälen zur

Informationsverarbeitung verwendet werden, indem sie durch externe

Kontrolle zwischen diesen Zuständen hin und her geschaltet werden.

Mit der konventionellen, aber eher umständlichen „patch-clamp“-

Technik ist es bereits möglich, für einzelne Ionenkanäle festzustellen, ob

sie geöffnet oder geschlossen sind.

Die Integration isolierter Ionenkanäle in eine synthetischen Chip-

Umgebung ist z.B. an der TU Dresden in der Arbeitsgruppe Prof. Dr.

R. Salzer gelungen.39 Verschiedene "Reizungen" der Ionenkanäle z.B.

durch Pharmaka können mit Lasern vermessen werden. Dies ist von

großem Interesse für die Entwicklung bestimmter Wirkstoffe, die auf

Membranproteine einwirken.

Ein wichtiger Fortschritt bei der unmittelbaren Verknüpfung von

Nervenzellen mit elektronischen Halbleiterbauelementen auf molekularer

Ebene ist an der University of Texas gelungen. Die Forschergruppe von

C.D. Schmidt benutzt als Brücke zwischen der Oberfläche einer

Nervenzelle und einem Cadmiumsulfid-Nanokristall ein kleines

Peptidfragment. Dieses bindet am einen Ende über das an der Außenseite

von Nervenzellen vorhandene Protein Integrin und auf der anderen Seite

durch eine Sulfidbrücke an den Cadmiumsulfid-Nanokristall, welcher das

quantenmechanische Tunneln von Elektronen erlaubt. Durch diese

Konstruktion einer materialtechnischen Schnittstelle läßt sich ein direkter

elektrischer Kontakt herstellen, der als spezifische Verbindung zwischen

Nervenzellen und Halbleiterbauelementen genutzt werden kann [Winter

et al. 2001].

7.8.27.8.27.8.27.8.2 Beeinflussung des NervenwachstumsBeeinflussung des NervenwachstumsBeeinflussung des NervenwachstumsBeeinflussung des Nervenwachstums

Das gerichtete Wachstum biologischer Zellen mit Hilfe der

Nanotechnologie auf sub-mikrostrukturierten Siliziumsubstraten wird

z.B. am Nanobiotechnology Center (NBTC) an der Cornell University

von Harold Craighead untersucht [Turner et al. 1997]. Ziel ist es, das

39 Informationsdienst Wissenschaft (www.idw-online.de), "Ionenkanal-Sensor-Chip der TU Dresden auf Analytica in München vorgestellt", 28.03.2002


selektive Wachstum verschiedener Nervenzellen (Astroglia, Astrocyten

und LRM55) bzw. der Neuriten durch die chemische Modifikation der

Oberfläche und deren Topologie zu beeinflussen, um definierte Netz-

werke von Neuronen zu konstruieren [Craighead/James/Turner 2001].

Beispielsweise ist es gelungen, Astrogliazellen bevorzugt entlang eines

Gitters von Polylysin-Linien, die mittels Mikrokontakt-Printing auf einem

Substrat aufgebracht wurden, wachsen zu lassen. Auch die

Neuritenbildung verlief mit hoher Selektivität auf den Polylysin-Linien

[John et al. 1997]. Eine topologische Kontrollmöglichkeit stellen

Säulenstrukturen dar, die z.B. bei Nervenzellen vom Typ LRM55-Zellen

oder Primärcortex-Astrocyten abhängig von der Größe der Säulen zu

einem selektiven Wachstum führen [Turner et al. 2000].

7.97.97.97.9 Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung Zusammenfassende Bewertung

In der Neurobionik werden hauptsächlich mit mikrotechnischen

Methoden verschiedene elektronisch ansteuerbare Implantate entwickelt,

die eine prinzipielle Ankopplung an das Nervensystem auf der

Mikroskala erlauben und teilweise im humanmedizinischen Bereich

bereits eingesetzt werden.

Hingegen sind künstliche, hybride neuronale Netzwerke noch im Stadium

der reinen Grundlagenforschung und als eher visionär zu betrachten.

Komplexe Netzwerke würden analog zum menschlichen Gehirn

hochflexibel und lernfähig sein, sowie bestimmte Aufgabenstellungen

äußerst schnell bearbeiten können.40

Die Nanobiotechnologie kommt auf der molekularen Ebene hinzu, wo es

um Kontrolle des Wachstums von Nervenzellen oder die Schnittstellen-

konstruktion (unter Einbeziehung subzellulärer Systeme wie Ionen-

kanäle) geht. Hierfür ist es sowohl für medizinische als auch technische

Anwendungsfelder wichtig, grundlegende und systematische Forschungs-

arbeit zu leisten. Neben den dargestellten Methoden könnte z.B. auch die

Umwandlung von optischen oder elektronischen Signalen in chemisch/

ionische, etwa durch lichtgetriebene Ionenpumpen wie Bakteriorhodop-

sin, in dieses Forschungsfeld miteinbezogen werden.

Geforscht wird derzeit auch an Biochips mit isolierten Ionenkanälen, um

z.B. ein Hochdurchsatzscreening für bestimmte Wirkstoffe zu ermöglich-

en und als Fernvision hybride Systeme zur Informationsverarbeitung

bereitzustellen. Es bietet sich also auch hier wie beim DNA-Computing

40Prinzipien der Informationsverarbeitung in neuronalen Netzwerken werden schon seit Jahren vor allem auf Softwareebene nachgestellt und z.B. im Bereich der Mustererkennung sowie in der Künstlichen-Intelligenz-Forschung eingesetzt.


(s.o.) die Möglichkeit zu einer konstruktiven Synergie zwischen den

Forschungsarbeiten für den anwendungsnäheren Life-Science-Bereich

und den noch fernen neurotechnologischen Systemen zur Informations-

verarbeitung.

Da im Rahmen der Neurotechnologie außerdem noch die direkte

technische Ankoppelung an das menschliche Gehirn thematisiert wird

(rudimentär umgesetzt z.B. für Epilepsi-Patienten, s.o.), dürften die

Entwicklungen innerhalb dieses Technologiebereiches noch große

Aufmerksamkeit auf sich ziehen und kontrovers diskutiert werden.


8.8.8.8. INDIKATOREN FÜR DINDIKATOREN FÜR DINDIKATOREN FÜR DINDIKATOREN FÜR DIE ENTWICKLUNG UND IE ENTWICKLUNG UND IE ENTWICKLUNG UND IE ENTWICKLUNG UND UMSETZUNG DES TECHNOUMSETZUNG DES TECHNOUMSETZUNG DES TECHNOUMSETZUNG DES TECHNOLOGIEFELDES LOGIEFELDES LOGIEFELDES LOGIEFELDES

8.18.18.18.1 LiteraturLiteraturLiteraturLiteratur---- und Patentre und Patentre und Patentre und Patentrecherchecherchecherchecherche

Obwohl die Nanobiotechnologie ein noch sehr junges Forschungsgebiet

ist, gibt eine Literatur- und Patentrecherche einen groben Überblick über

den Stand und die Tendenzen von Forschung und Entwicklung auf

diesem Gebiet.

Als besondere Schwierigkeit erweisen sich hierbei Breite und Kom-

plexität des Forschungsfeldes, die eine klare Zuordnung allgemeiner

Begriffe wie "Nanobiotechnologie" nicht zulassen. Daher wurden

Recherchen mit unterschiedlichen Suchbegriffen für die verschiedenen in

der vorliegenden Technologieanalyse dargestellten Anwendungsbereiche

durchgeführt. Da zu erwarten ist, dass im Life-Science-Bereich

wesentlich mehr Anwendungen entwickelt werden, wurde zum Vergleich

auch dieser Bereich in der Aufspaltung der Treffer und bei den

Suchbegriffen berücksichtigt.

Als geeignete Datenbank für eine Patentrecherche wurde WPINDEX

gewählt (Derwent World Patents Index), weil hier nicht nur der

Originaltext aus dem Patent ausgeführt wird, sondern eine von

Gutachtern bewertete Beschreibung. Für die Literaturrecherche stellt die

Datenbank CAPLUS, die neben Fachpublikationen auch Patente,

Kongressberichte und technische Berichte enthält, eine gute Ausgangs-

basis dar. Zum Vergleich wurde auch die reine Wissenschaftpublikations-

Datenbank SCISEARCH hinzugezogen, die nur Fachjournale erfasst.

Die Recherche geht von einer Obermenge aus den Teilbegriffen "nano"

und "bio" aus, die irgendwo in dem relevanten Text vorkommen müssen.

Als Untermengen werden daraus Nanoproduktion (DNS-Selbst-

organisation, S-Schichten, Template und Biomineralisation), "Nanobio"-

Sensoren, "Nanobio"-Membranen, künstliche Photosynthese/Photo-

voltaik, (bio)molekulare Motoren, Nanobio-Elektronik, DNA-Computing,

Informationsverarbeitung mit zusätzlichen Stichwörtern gebildet.

Außerdem wird für Begriffe wie z.B. "S-layer" gegengeprüft, ob sie unter

einem anderen Namen (z.B. "bacterial membrane proteine") zu finden

sind. Dabei stellte sich heraus, dass speziell in diesem Stichwort eine

grosse Unsicherheit liegt. In CAPLUS werden 798 Treffer für

"membran? and (bacterial? or protein?)" als Untermenge von "nano? und

bio?" (? = beliebige Zeichenfolge) und nur 15 Treffer für "S-layer"

Indikatoren für die Entwicklung und Umsetzung 95959595

angezeigt, während in SCISEARCH für die gleichen Suchbegriffe 292

bzw. 20 Treffer zu finden sind. Für die medizinischen Anwendungen

wurden in Verknüpfung mit "nano" und "bio" Suchbegriffe wie "drug

delivery", "tissue engineering", "medical", "pharmaceutical", "DNA-

/Gene-chip" und "microarray" gewählt. Dabei kann es zu

Überschneidungen kommen, indem z.B. Fundstellen zur DNS-

Selbstorganisation aufgelistet werden, die ebenfalls bei (medizinischen)

Sensoren oder bei der Kategorie Nanobio-Elektronik erscheinen. Das

Auftreten solcher Problemfälle wurde stichprobenartig überprüft und

wenn möglich durch weitere Begriffe eingeschränkt.

Verglichen mit der Zahl der Sucherfolge für die medizinischen

Stichworte ist die Anzahl der Treffer für die in der vorliegenden

Technologieanalyse untersuchten Systeme in den Literatur- und Patent-

datenbanken weitaus geringer (vgl. Diagramm 8.1). Dabei ist noch nicht

berücksichtigt, dass von den verbliebenen Treffern ein sehr großer Teil

noch eher zu den Anwendungen im Life-Science-Bereich gezählt werden

muss (speziell bei Sensoren und Membranen). Dadurch wird die An-

nahme bestätigt, dass zum einen die meisten technischen Anwendungen

nanobiotechnologischer Verfahren und Systeme zunächst im Life-

Science-Bereich liegen, und zum anderen dieser Bereich bei weitem

überwiegt. Die unterschiedliche Entwicklung zeigt auch der unmittelbare

Vergleich der Treffer für medizinische und nicht-medizinische Sucherfol-

ge in der CAPLUS-Datenbank. Hier ist ein deutlich steilerer Anstieg der

Zahl der Publikationen für den medizinischen Bereich zu verzeichnen.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

CAPLUS - nicht med.SCISEARCH - nicht med.CAPLUS - medizinischWPINDEX

Abbildung 8.1: Zahl der Publikationen und Patente in CAPLUS, SCISEARCH von 1990-2000. CAPLUS in medizinische und nicht-medizinische Anwendungen unterteilt. Zum Vergleich Zahl der Patente in WPINDEX mit Suchbegriff "?nano? und ?bio?".


Die Recherche im nicht-medizinischen Bereich zeigt in allen drei

untersuchten Datenbanken einen ähnlicher Verlauf.

Erst seit knapp fünf Jahren nimmt die Zahl der Publikationen und Patente

im Nanobiotechnologiebereich stark zu. Dies zeigt, dass die Entwicklung

der Anwendung der Nanobiotechnologie noch in den Anfängen steckt.

Für die Patente ist zusätzlich eine 18 Monatssperre zu berücksichtigen,

bevor diese in eine Datenbank aufgenommen werden können.

Innerhalb der technischen, Nicht-Life-Science-Anwendungen sind

Produktionsverfahren für Nanostrukturen, Membranen und Sensoren in

beiden Literaturdatenbanken (CAPLUS, SCISEARCH) am stärksten

vertreten. Dieses Ergebnis spiegelt sich auch in der Patentrecherche

wider. Mit großem Abstand folgen die Anwendungen zur "Nanobio"-

elektronik.

Die Patentdatenbank WPINDEX erlaubt eine tiefergehende

Kategorisierung der Treffer. Insgesamt werden 1023 Patente mit "nano"

und "bio" als relevant eingestuften Begriffen bzw. Wortteilen gefunden.

Die Sortierung nach der IPC-Hauptklasse bietet eine klarere Zuordnung

zu verschiedenen Technologie-Teilgebieten (vgl. Diagramm 8.3).

Beinahe 40% sind Anwendungen im medizischen Bereich (IPC-

Hauptklasse A41). Große Anteile finden sich bei Messen und Prüfen

(G01, umfasst auch Sensorik) sowie Mikrobiologischen Verfahren (C12),

bei denen u.a. Sensoren und Membranen eine wichtige Rolle spielen

können. Patente zu grundlegenden elektronischen Bauteilen sind nur

Abbildung 8.2: Vergleich der Trefferhäufigkeit in den selbst-definierten Kategorien (Bio2Nano) zu Suchbegriffen für die Datenbanken SCISEARCH, CAPLUS und WPINDEX

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

Produ

ktion

von

Nanos

trukt

uren

Biose

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Mem

bran

en

Energ

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mole

kulare

Mot

oren

Bioele

ktro

nik

Info

rmat

ions

vera

rbeit

ung

DNA-Com

putin

g

SCISEARCH

CAPLUS

WPINDEX


marginal vertreten. Eine weitere Untergliederung mit speziellen

Suchbegriffen für die gleichen Kategorien wie in den anderen Daten-

banken reduziert die Zahl der "Nanobiotechnologie"-Patente bezüglich

hier vorgestellter Anwendungen (Bio2Nano) auf 433, aber die Verteilung

auf die Kategorien ist vergleichbar zu den Tendenzen in CAPLUS und

SCISEARCH (s.o.).

Bei der Analyse der Autoren in der CAPLUS-Datenbank (siehe

Diagramm 8.4) zeigt sich, dass mit grossem Abstand die meisten

Publikationen und Patente aus den USA kommen (46 %), gefolgt von

Deutschland (9 %), Japan und England (je 8 %). Dieser generelle Trend

lässt sich ebenfalls in der Patent-Datenbank WPINDEX für die Kategorie

"Prioritätsländer" (PRC), die auf die eigentliche Forschung und

Entwicklung abzielt, erkennen. Eine Aufteilung nach "Patentländern"

(PCS), die eher auf künftige Märkte zielt, zeigt, dass die meisten Patente

auch in Deutschland angemeldet werden und damit gerechnet wird, dass

hier ein potenzieller, wichtiger Markt liegt.

Abbildung 8.3: Aufteilung der IPC-Hauptklassen in der WPINDEX-Trefferliste (Suchbegriff: "?nano? und ?bio?")

Biochemie, Bier,

Spirituosen, Wein, Essig, Mikrobiologie, Enzymologie,

Mutation, genet.

Techniken13%

Organ. makromolek.

Verb.9%

Organ. Chemie9%

Messen, Prüfen17%

Grundlegende elektron. Bauteile

3%

Medizin, Tiermed., Hygiene

37%

Physikal. od. chem. Verf. od.

Vorricht. allgemein

11%

Optik1%

USA

GERMANYJAPAN

UK

CHINA

FR,CAN,

Abbildung 8.4: Herkunft der Autoren für

Nanobiotechnologie (tech-

nische Anwendungen,

bio2nano) in CAPLUS.


Die Zweiteilung der Technologieanalyse in eine Studie zu den

Potenzialen der technischen Anwendungen und Anwendungen im

Bereich der Life-Sciences erweist sich auch aus Sicht der Literatur- und

Patentanalyse als sinnvoll, weil sich diese Anwendungsgebiete substan-

ziell unterschiedlich darstellen und bewertet werden müssen.

8.28.28.28.2 Nationale und internationale FuENationale und internationale FuENationale und internationale FuENationale und internationale FuE----AktivitätenAktivitätenAktivitätenAktivitäten

Die USA zeigen im gesamten Nanobiotechnologie-Bereich die größte Aktivität, was sich an der Zahl der Publikationen, Patente und

Konferenzen zu diesem Thema ablesen lässt. Die meisten Forschungs-anstrengungen zielen auf den wirtschaftlich interessanten Life-Science-Markt ab. Die USA sind jedoch auch in den anderen Anwendungs-

gebieten tätig, wie z.B. in der Molekularelektronik und bei molekularen

Motoren. Besonders an molekularen Motoren und Maschinen wird auch

in Japan sehr intensiv geforscht.

Knapp vor Japan liegt Deutschland bei den Forschungsaktivitäten

deutlich hinter den USA. Deutschland besitzt einige starke Arbeits-

gruppen, die sich auch den technischen Anwendungsmöglichkeiten

außerhalb der Life-Sciences zuwenden.

Die Nanobiotechnologie wird international mit unterschiedlichem Focus

gefördert.

•= In den USA ist die Nanobiotechnologie als Bestandteil der

Nanotechnologie in der National Nanotechnology Initiative (NNI)

integriert und erhält eine Sonderrolle eher durch die Einrichtung

spezieller Forschungszentren wie z.B. das Nanobiotechnology

Center (NBTC) mit Hauptsitz an der Universität Cornell, oder

durch spezielle Nanobiotechnologie-Konferenzen.

•= In Japan wurden mit relativ geringem Budget einige Forschungs-

programme zur Nanotechnologie aufgelegt, die auch biomoleku-

lare Wissenschaften abdecken (vor allem von der Science &

Technology Agency, STA). Neben BioMEMS / mikrofluidischen

Systemen zielen diese Forschungen vor allem auf Bioelektronik

und Forschung an biomolekularen Motorsystemen ab. Ein sehr

großer Teil dieser Forschungsaktivitäten bezieht sich jedoch auf

den Nano2Bio-Aspekt oder angrenzende Gebiete z.B. aus der

supramolekularen / organischen Chemie oder Kohlenstoff-


Nanoröhren.41 Ein Nachteil für Forscher in Japan ist die

mangelnde interdisziplinäre Zusammenarbeit.

•= Im Asiatisch-pazifischen Raum zeigen Korea und China

besonders im Bereich von Biochips / BioMEMS große

Aktivitäten.

•= Im 5. und 6. EU-Rahmenprogramm wird auch die Nanobio-

technologie berücksichtigt – sowohl bei der Etablierung europa-

weiter Netzwerke als auch im Rahmen von Forschungsvorhaben

(bislang mehr als 20 Projekte aus den Bereichen "Quality of Life

and Management of Living Resources" und "User-friendly

Information Society", z.B. das BIOAND-Projekt)

(http://www.cordis.lu/nanotechnology)

•= In Deutschland existiert seit April 2000 eine spezielle Förder-

bekanntmachung des BMBF zur Nanobiotechnologie (geplantes

Fördervolumen bis 2006 ca. 50 Mio∈ ).

8.38.38.38.3 Spezielle NanobiotechnologieSpezielle NanobiotechnologieSpezielle NanobiotechnologieSpezielle Nanobiotechnologie----Aktivitäten in Aktivitäten in Aktivitäten in Aktivitäten in DeutschlandDeutschlandDeutschlandDeutschland

•= www.nanobio.de – Web-Seite mit Informationen zur BMBF-

Fördermaßnahme "Nanobiotechnologie" und zu den laufenden

Projekten

41 vgl. Asian Technology Information Program (ATIP)-Bericht "Bio-Nanotechnology in Japan" (ATIP99.069, 1999)


•= NanoBioNet (www.nanobionet.de)– regionales Netzwerk mit

breiter Nano/Bio-Perspektive (Saarland-Rheinhessen-Pfalz)

•= Kongresse und thematische Workshops:

o NanoBioTec (www.nanobiotec.de)– jährlicher Kongress,

Münster (Sept. 2000, 2001, 2002)

o W.E. Heräus-Seminar: NanoBionics I, II –

(http://www.chemie.uni-marburg.de/nanobionics/),

Marburg (Juli 2000, Sept. 2002)

o Molekulare Nanotechnologie, Schloss Augustusburg,

IPHT Jena (Aug. 1999, Sept. 2000, Sept. 2001)

o DNA-based molecular construction, IPHT Jena (Mai

2002)

o aktuelle Veranstaltungstermine unter www.nanobio.de

8.48.48.48.4 Marktpotenzial Marktpotenzial Marktpotenzial Marktpotenzial

Die in der Technologieanalyse vorgestellten Beispiele für Nanobio-

technologie sind auf unterschiedliche Weise in der Lage, Produkte zu

beeinflussen. Wie bereits im einleitenden Kapitel erwähnt wurde, besitzt

die Nanobiotechnologie in vielen Fällen vor allem eine Zubringerrolle,

indem neuartige Herstellungs-, Analytik- oder Kontaktierungsverfahren

entwickelt werden. Beispiele sind Selbstorganisation mit DNS-

Molekülen, Biomineralisation oder S-Schichtsubstrate. In den anderen

Fällen könnten sich tatsächlich funktionelle Baueinheiten in einem

technischen Produkt realisieren lassen (beispielsweise funktionelle

Proteine in Biosensoren oder in bioelektronischen Bauelementen für

technisch-biologische Schnittstellen).

Die meisten nanobiotechnologischen Entwicklungen zielen auf den Life-Science-Markt ab. In diesem Marktbereich besteht ein relativ hoher

Bedarf an Lösungen für hochsensitive nanoskalige analytische Verfahren,

Wirkstofftransportsysteme, biokompatible Materialien und funktionali-

sierten Nanopartikeln. Dementsprechend hoch ist auch das Markt

potenzial: Allein für den Diagnostikbereich mit DNS- / Protein-Chips,

Lab-on-Chip-Systeme etc. werden bis zu 40 Mrd. US $ im Weltmarkt bis

2005 erwartet. Der Markt für Pharmaka, der in Zukunft zu 50% durch

Nanotechnologie beeinflussbar sein soll, betrug bereits im Jahr 2000 ca.

380 Mrd. US $. Obwohl in erster Linie Nano2Bio-Anwendungen wie

Biochip-Verfahren oder Methoden zur lokalen Wirkstofffreisetzung für

diesen Marktbereich in Frage kommen, können auch die in dieser

Analyse angesprochenen Techniken für Bio2Nano-Anwendungen im


Life-Science-Markt Teilbereiche abdecken (z.B. mit Biosensoren,

molekularen Transportsystemen, Biomembrantechnologie, selbstorgani-

sierten Konstruktionsprozessen, etc.).

Das Marktpotenzial im rein technischen Anwendungsbereich ist zahlen-

mäßig derzeit noch nicht seriös abschätzbar. Die Entwicklungen sind

zum einen i.a. noch zu grundlegend, zum anderen ist noch unklar, ob die

neuen Verfahren und Techniken gegen bestehende Konkurrenz aus

bewährten Technologiebereichen bestehen können.


9.9.9.9. GESAMTBEWERTUNG UGESAMTBEWERTUNG UGESAMTBEWERTUNG UGESAMTBEWERTUNG UND AUSBLICKND AUSBLICKND AUSBLICKND AUSBLICK

Die dargestellten Forschungsanstrengungen sind sehr heterogen und zu

einem großen Teil durch Grundlagenforschung geprägt. Unter Ein-

beziehung aktuellster Forschungsergebnisse wurde eine große Vielfalt an

Technologiebereichen und Anwendungspotentialen für den Bio2Nano-

Sektor identifiziert, die hier nochmals im Überblick dargestellt sind:

•= Produktionsprozesse o Nanofabrikation (Selbstorganisationsverfahren)

o Materialsynthese (Biomineralisation)

•= Biosensoren und Biomembranen (z.B. in der Umwelt-,

Produktions- und Lebensmitteltechnik, Pharmazie)

•= Lichtenergetische Prozesse (z.B. biologisch unterstützte

Photovoltaik)

•= Biomolekulare Motoren und Aktuatoren (z.B. das

Mikrotubuli-Kinesin Transportsystem)

•= Informations- & Kommunikationstechnologie o Molekularelektronik (Konstruktion, Verdrahtung,

Bauteile)

o Datenspeicherung

o Sicherheitsmerkmale

o Bezug der Nanobiotechnologie

��zum DNA-Computing

��zur Neurotechnologie

Für jeden Bereich wurde eine zusammenfassende Einzelbewertung

erstellt, die am Ende des jeweiligen Kapitels für einen analysierten

Technologie- bzw. Anwendungsbereich zu finden sind.

Im folgenden werden darüber hinausgehende, generalisierbare Zusam-

menhänge hervorgehoben und zukunftsorientierte Schlußfolgerungen für

den Bio2Nano-Sektor gezogen:

9.19.19.19.1 Anwendungsorienter TechnologieauAnwendungsorienter TechnologieauAnwendungsorienter TechnologieauAnwendungsorienter Technologieaufbaufbaufbaufbau

Von wenigen Ausnahmen abgesehen befinden sich die dargestellten

Forschungsanstrengungen noch im Stadium der Grundlagenforschung. Es

wird an Technologiebausteinen, der Charakterisierung interessanter

biologischer Systeme und grundsätzlichen Problemstellungen gearbeitet.

Gesamtbewertung und Ausblick 103103103103

In vielen Bereichen wurde bereits der Beweis erbracht, dass das

zugrundeliegende Prinzip funktioniert (proof-of-principle). Teilweise

werden dabei vielversprechende Perspektiven (etwa bei der Selbst-

organisation oder den funktionalisierbaren Eigenschaften von Bakterio-

rhodopsin) aufgezeigt, teilweise besitzen die Untersuchungen aber eher

akademischen Charakter, da häufig viele anwendungsrelevante Problem-

stellungen (wie Probleme der Reproduzierbarkeit, Stabilität, Haltbarkeit,

Steuerung, konkurrenzfähigen Performance, keine Angaben über aus-

sagekräftige, anwendungsrelevante Parameter, etc.) nicht untersucht

wurden.

Für die meisten dargestellten Forschungsergebnisse ist hinsichtlich einer

möglichen Umsetzung in marktfähige Produkte ein langfristiger

Zeithorizont anzusetzen (10 Jahre und mehr)42. Obwohl noch viele

grundlegende Aspekte abzuklären und technologische Hürden zu

überwinden sind, ist aus mehreren Gründen bereits in diesem Stadium

eine anwendungsorientierte Ausrichtung zu befürworten:

Zum einen ist es durchaus möglich, selbst für so grundlagenorientierte

Forschungsbereiche wie die molekulare Maschinentechnologie konkrete

Anwendungsvisionen zu entwerfen (vgl. Kapitel 6).

Zum anderen hat die Analyse von Forschungsprojekten innerhalb des

Technologiefeldes Bio2Nano gezeigt, dass durchaus Interesse seitens der

Großindustrie besteht, sich schon in diesem Forschungsstadium zu

engagieren – z.B. bei den EU-Projekten „BIOAND“ (Sony) und „DNA-

based electronics“ (Motorola).

Hierdurch sollte es möglich sein, bereits gegenwärtig anwendungs-

relevante Weichen zu stellen, sowie frühzeitig die grundlegenden, tech-

nologischen Anforderungen zu erfüllen(vgl. Abschnitt 9.2).

In diesem Sinne ergänzen sich Grundlagenorientierung und Anwen-

dungsbezug. Das Zusammenspiel von konkretisierten Anwendungs-visionen, systematischen Machbarkeitsstudien, Potentialanalysen und

Industriebeteiligung dürfte trotz langfristiger Ausrichtung für Bio2Nano

einen anwendungsorientierten Technologieaufbau ermöglichen.

Folgende zentrale Forschungsaspekte sind hierbei zu berücksichtigen:

42 Mittelfristig (5-10 Jahre) umsetzbar erscheinen hingegen z.B. der Kopierschutz und einfache Speichersysteme auf Basis von Bakteriorhodopsin (siehe Abschnitt 7.4.3) oder auch S-Layer basierte Sensorsysteme und Katalysatoren (vgl. Abschnitte 3.1 und 4.2).


•= weitere Aufklärung und systematische Nutzung biologischer

Mechanismen wie Selbstorganisation, Biomineralisation, Selbst-

reparaturfähigkeit, Photosynthese, neuronale Informations-

verarbeitung etc.

•= Entwicklung von materialtechnischen und Nano-(Mikro)-Makro-

Interfaces, Hybridsystemen

•= anwendungsbezogene Konstruktion und Analyse von Hybridsys-

temen, Signalwandlern und molekularen Maschinensystemen

•= Test der technisch nutzbaren Eigenschaften weiterer, evtl.

biotechnologisch veränderter Bio-Materialien (bisher vor allem

DNS, Bakteriorhodopsin, S-Layer, Mikrotubuli)

9.29.29.29.2 Umfassende TechnologiekompetenzUmfassende TechnologiekompetenzUmfassende TechnologiekompetenzUmfassende Technologiekompetenz

Der Technologiebereich Bio2Nano ist vor allem auf Anwendungsfelder

ausgerichtet, die eigentlich von anderen Technologien dominiert werden.

Deshalb ist es erforderlich, einen kontinuierlichen Abgleich durch-

zuführen, der über die Perspektiven der Nanobiotechnologie und den

damit verbundenen Mehrwert für die jeweiligen Anwendungsbereiche

Auskunft gibt. Es reicht beispielsweise nicht aus, bioelektronische Bau-

teile zu entwickeln, wenn keine Aussichten auf eine konkurrenzfähige

Performance besteht.

Es müssen deshalb Forschungsgruppen gebildet werden, die über eine

umfassende Technologiekompetenz verfügen, z.B. durch Einbeziehung

von Industriepartnern, die bereits im anvisierten Anwendungsbereich mit

konventionellen Technologien vertreten sind.

Für eine gezielte Vorgehensweise und zur umfassenden Erschließung der

Innovationspotentiale sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

•= perspektivischer Leistungsvergleich zu bereits etablierten Technolo-

gien und deren Entwicklungspotentialen, genaue Identifikation des

möglichen Mehrwertes durch Einbringen der Nanobiotechnologie.

•= Vergleich zu anderen neuen Technologien (z.B. nicht-biologische

molekulare Maschinen, physikalisch-chemisch dominierte Anstreng-

ungen zur Entwicklung einer Molekularelektronik).

•= Prüfung der Kombinierbarkeit von Technologien (z.B. Hybridsys-

teme), um neue Synergien zu ermöglichen.


•= Evtl. ist eine rein biomimetische Übertragung von biologischen

Prinzipien und Funktionalitäten in technische Systeme möglich

(vorteilhaft wenn biospezifische Nachteile wie geringe Stabilität,

Haltbarkeit, wässriges Medium etc. auftreten und eine Rolle spielen).

9.39.39.39.3 Synergie mit Nano2BioSynergie mit Nano2BioSynergie mit Nano2BioSynergie mit Nano2Bio----ApplikationenApplikationenApplikationenApplikationen Einige der Forschungsanstrengungen, die in dieser Technologieanalyse

dargestellt wurden, sind auch für den lebenswissenschaftlichen Bereich

(Nano2Bio) von großer Bedeutung. Technisch nutzbare Selbstorganisa-

tionsphänomene dürften z.B. auch für die nanoskalige Funktionalisierung

von Biochips eine große Rolle spielen. Auch die biologisch-technische

Schnittstellenproblematik, Analyse- und Manipulationssysteme, der Auf-

bau hybrider Systeme betreffen beide Teilbereiche der Nanobiotechno-

logie, wenn auch mit unterschiedlicher Intensität.

Aufgrund der Anwendungsnähe des Nano2Bio-Bereiches ist damit zu

rechnen, dass dort stattfindende Entwicklungen schneller vorankommen

und quasi als „Spin-off-Technologie“ auch Bereiche des Bio2Nano-

Gebietes befruchten werden (insbesondere die Beiträge zur Neuro-

technologie, zum DNA-Computing und zum Aufbau einer molekularen

Maschinentechnologie).

Natürlich wird der Transfer auch in die andere Richtung erfolgen, jedoch

ist es vor allem für eine anwendungsrelevante Bio2Nano-Entwicklung im

rein technischen Bereich ein entscheidender Faktor, dass im Life-

Science-Sektor übertragbare Technologien entwickelt werden.

9.49.49.49.4 SelbstorganisationSelbstorganisationSelbstorganisationSelbstorganisation

Will man eine der hier vorgestellten Technologien hervorheben, dann ist

es die technische Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen (vgl.2.2). Der gezielte bottom-up Aufbau nanoskaliger Strukturen (z.B.

für die Molekularelektronik) benötigt völlig neuartige Produktions-

verfahren, die im Idealfall eben auf Selbstorganisationsprinzipien

zurückgreifen können. Die Bedeutung, die diesem Technologiebereich

zugemessen wird, lässt sich auch an der seit 2001 steigenden Zahl von

Artikeln in den Wissenschaftsmagazinen Science und Nature ablesen, die

sich mit Selbstorganisationsphänomenen befassen.


Trotz der Bedeutung dieses Teilbereiches fehlt eine systematischen Auf-

arbeitung dieses Technologiefeldes: Die einzelnen Prinzipien sollten

klassifiziert werden, um gezielt Schwerpunkte setzen zu können. Des

weiteren gilt es, die Leistungsfähigkeit verschiedenster Selbstorganisa-

tionsprozesse zu kombinieren, zu verbessern und letztlich für die

Produktionstechnik nutzbar zu machen.

Eine Technologieanalyse, speziell auf diesen Themenbereich ausge-

richtet, könnte hierfür wichtige Vorarbeit leisten. Hierbei müssen neben

den biologischen Selbstorganisationsphänomenen auch die aus dem

Bereich der Chemie und der Physik einbezogen und miteinander

verglichen werden.

Die Selbstorganisation wird zwar bereits im Rahmen von BMBF-

Fördermassnahmen berücksichtigt, jedoch nur als jeweils untergeordneter

Technologieteilbereich. Ein eigenständiges, klar strukturiertes und

zielgerichtetes Forschungsprogramm für die fächerübergreifende Technologie der Selbstorganisation dürfte jedoch einen entscheidenden

Schritt in Richtung anwendungsbezogener Produktionsverfahren vor

allem für nanoskalige Strukturen darstellen.

9.59.59.59.5 InterdisziplinaritätInterdisziplinaritätInterdisziplinaritätInterdisziplinarität

Für eine erfolgreiche und innovative nanobiotechnologische Forschungs-

arbeit ist interdisziplinäres Know-how unumgänglich. Wissen aus den

Bereichen Physik, Chemie und Biologie muss kombiniert werden, um

wertvolle Beiträge zur Nanobiotechnologie zu leisten – nicht zuletzt, um

auch den Abgleich zu anderen Technologien sowie Synergien zu

ermöglichen (siehe Abschnitt 9.2).

Viele der angesprochenen Experten haben auf die hohe Bedeutung der

Interdisziplinarität für dieses Technologiefeld hingewiesen. Es wurde

sogar empfohlen, den Aufbau und das Einbringen interdisziplinärer Qualitäten durch Förderprogramme aktiv zu unterstützen.

Folgende Punkte sollten hierbei eine große Rolle spielen:

•= Gezielte Workshops zur Zusammenführung verschiedener Experten-

gruppen.

•= Das Errichten räumlich benachbarter, fachübergreifender und

anwendungsbezogener Forschungs, Entwicklungs- und Ausbildungs-

strukturen (etwa wie am CeNS der Universität München, oder der


Technologiepark Münster unter Einbeziehung der ortsansässigen

Universität und Fachhochule).43

•= Aufbau ausgewogener Netzwerke mit klaren Vorgaben zur

interdiszplinären Umsetzung von Forschungsvorhaben, zu einer

umfassenden Technologieberatung und zum Technologietransfer.

9.69.69.69.6 FazitFazitFazitFazit

Im folgenden sind nochmals die wichtigsten Aussagen für den Bereich Bio2Nano zusammengestellt:

•= dominiert von Grundlagenforschung.

•= breit gefächertes, in großen Teilen wenig homogenes Forschungs-

feld mit vielen potentiellen Anwendungsbereichen, langfristiger

Zeithorizont.

•= ein anwendungsorienter Technologieaufbau ist trotzdem möglich,

umfassende Technologiekompetenz zum innovativen Abgleich

erforderlich.

•= zentrale Forschungsaspekte, siehe unter Abschnitt 9.1.

•= interdisziplinäre Kompetenz und Zusammenarbeit sind essentiell.

In der geplanten Fortsetzung der Technologieanalyse wird die Nanobio-

technologie auf den von den Life-Sciences dominierten Teilbereich

„Nano2Bio“ fokussiert. Diesem Technologiefeld kann eine deutlich

konkretere, sehr anwendungsbezogene und vergleichsweise zeitnahe

Perspektive zugeschrieben werden. Es ist deshalb damit zu rechnen, dass

sich hierbei auch Schlußfolgerungen ergeben werden, die sich teilweise

deutlich von den hier erhaltenen Ergebnissen unterscheiden.

43Insbesondere in den USA wird die interdisziplinäre Kooperation und Ausbildung (z.B. interdisziplinäre Nanotechnologie-Studiengänge an der Cornell University) wesentlich intensiver betrieben als hierzulande.


Anhang 109109109109

10.10.10.10. ANHANGANHANGANHANGANHANG

10.110.110.110.1 LiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnis Aich, P., S. L. Labiuk, L. W. Tari, L. J. T. Delbaere, W. J. Roesler, K. J. Falk, R. P. Steer, J. S. Lee,

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1661-1669 ( 1994)

Anhang 115115115115

10.210.210.210.2 Auswahl einiger nationaler und internationaler Auswahl einiger nationaler und internationaler Auswahl einiger nationaler und internationaler Auswahl einiger nationaler und internationaler Arbeitsgruppen im Bereich Bio2NanoArbeitsgruppen im Bereich Bio2NanoArbeitsgruppen im Bereich Bio2NanoArbeitsgruppen im Bereich Bio2Nano

Ansprechpartner, Institut, Adresse Spezielle Forschungsgebiete Beispiele in der

Technologieanalyse Prof. Dr. Angela M. Belcher University of Texas, Dept. of Chemistry and Biochemistry Austin TX 78712 Campus Code A5300, Welch 4.222 (USA) Tel.: 001 512-471-1154 Fax: 001 512- 471-8696 email: [email protected] http://www.cm.utexas.edu/belcher/

•= Biomaterials •= Bioengineering •= Bioelectronics •= Bio-magnetic Materials •= Bio-molecular Machines •= Super-molecular Asembly

Biomineralisation Nanofabrikation (Proteine) vgl. Kap. 2

Priv.-Doz. Dr. Frank Bier Fraunhofer Institut Biomedizinische Technik Arthur Scheunert-Allee 114-116 14558 Bergholz-Rehbrücke Tel.: (033) 200-88-37 Fax: (033) 200-88-452 email: frank.bier@ibmt.

fraunhofer.de http://www.ibmt.fhg.de/ ibmt3ambtmolekular_index.html

•= Nanobiotechnologie •= Molekulare Bioanalytik &

Bioelektronik •= Transducer/Biosensoren •= Chip-Rezeptorkopplung

Bionanostrukturierung •= BioChip-Analysemethode •= Biomolekulare Wirkungsanalyse

Nanobiofabrikation / DNS-Selbstorganisation Biosensorik, Bioanalytik vgl. Kap. 2, 4

Prof. Dr. Cees Dekker Molecular Biophysics group, Dept. of Applied Physics & DIMES, Delft University of Technology Lorentzweg 1 NL-2628 CJ Delft Tel.: 0031 15-278-6094 Fax: 0031 15-278-1202 email: [email protected] http://www.mb.tn.tudelft.nl/user/ dekker/index.html

•= DNA mediated assembly •= DNA and enzymes •= Nanofluidics (DNA, Nanotubes) •= Conductance meassurements on

DNA

molekulare Bioelektronik (DNS und Nanoröhren) Nanofabrikaition (DNS-Positionierung) vgl. Kap. 7.1, 7.1.1


Dr. Wolfgang Fritzsche Institut für Physikalische Hochtechnologie (IPHT) Abt. Biotechnische Mikrosysteme Winzerlaer Str. 10 07745 Jena Tel.: (03641) 2063-04 Fax: (03641) 2063-99 email: [email protected] http://www.ipht-jena.de/ BEREICH_3/index_b3.html

•= Molekulare Nanotechnologie •= gezielte Adsorption von

Biomolekülen auf festen Substraten •= elektrische Messungen an

molekularen Strukturen •= Benutzung einzelner Moleküle als

lithografische Masken •= Gold-Nanopartikel als neuartige

Marker für DNA-Chips •= DNA-Nanotechnologie

Nanobiofabrikation, DNS Biomolekulare Elektronik vgl. Kap. 2, 7.1

Prof. Dr. Michael Grätzel Labor. for Photonics and Interfaces Swiss Federal Institute of Technology CH-1015 Lausanne Tel.: 0041 21-693-3112 Fax: 0041 21-693-6100 email: [email protected] http://sb.epfl.ch/icmb/graetzel_e.htm

•= künstliche Photosynthese •= Katalyse •= Bioelektronik

lichtenergetische Prozesse vgl. Kap. 5.2

Prof. Dr. Devens Gust Photosythesis Center Dept. of Chemistry & Biochemistry Arizona State University Box 871604, Tempe, AZ 85287-1604 (USA) Tel: 001 480-965-4430 Fax: 001 480-965-8607 email: [email protected] http://photoscience.la.asu.edu/

•= photosynthesis •= solar energy harvesting •= biomimetic conversion •= molecular electronics and

optoelectronics

lichtenergetische Prozesse vgl. Kap. 5.1

Prof. Dr. Norbert Hampp Philipps-Universität (FB Chemie) Hans-Meerwein-Straße Geb. H 35032 Marburg Tel.: (06421) 282-5778 Fax: (06421) 282-5798 email: [email protected] http://www.chemie.uni-marburg.de/ ~hampp/index.html

•= Bakteriorhodopsin als biologisches Material für die optische Informationsverarbeitung

•= Rastersondenmikroskopie an biologischen Materialien

•= Biosensoren

Datenspeicherung und Sicherheitstechnik mit Bakteriorhodopsin vgl. Kap. 7.4

Anhang 117117117117

Prof. Dr. Jonathon Howard Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics Pfotenhauerstrasse 108 01307 Dresden Tel.: (0351) 2102-500 Fax: (0351) 2102-020 email: [email protected] http://www.mpi-cbg.de/

•= Molecular and cellular mechanics •= molecular mechanisms of force

generation by motor proteins •= structural basis for the regulation of

motor proteins •= Microtubule dynamics •= Mechanoelectrical transduction by

cutaneous sensory receptors •= Remodeling of the extracellular

matrix

Biomolekulare Motoren vgl. Kap. 6.1.1

Prof. Dr. Christine D. Keating 152 Davey Laboratory The Pennsylvania State University University Park, PA 16802 (USA) Tel.: 001 814-863-7832 Fax: 001 814-865-192 email: [email protected] http://research.chem.psu.edu/ cdkgroup/

•= Functional Architectures •= DNA-directed nanowire assembly •= Synthetic Cells •= stripped metal bar codes

Nanofabrikation vgl. Kap. 2

Prof. Dr. Stephen Mann School of Chemistry, University of Bristol, UK-Bristol BS8 1TS Tel.: 0044 117-9289-935 Fax: 0044 117-9251-295 email: [email protected] http://www.chm.bris.ac.uk/inorg/ mann/webpage.htm

•= Biomineralization •= Biomimetic Materials Chemistry •= Magnetic Proteins and

Bioinorganic Nanocomposites •= Centre for Organized Matter

Chemistry

Biomineralisation vgl. Kap. 2.3

Prof. Dr. Chad A. Mirkin Department of Chemistry & Institute for Nanotechnology Northwestern University 2145 Sheridan Road Evanston, IL 60208-3113 (USA) Tel.: 001 847-491-2907 Fax: 001 847-467-5123 email: camirkin@chem. northwestern.edu http://www.chem.northwestern.edu/ ~mkngrp/

•= DNA Nanoparticle Assembly and Diagnostics

•= DNA-driven Nanoparticle Assembly

•= DNA-Detection Arrays •= Fundamental Properties of

Nanoparticle Assemblies •= New Nanoparticle Compositions

and Shapes •= Nanoparticle Strategies for DNA

Sequence Detection •= Dip-Pen Nanolithography

Nanofabrikation, DNS-Selbstorganisation vgl. Kap 2


Prof. Dr. Carlo D. Montemagno Dept. of Biological and Environ- mental Engineering Cornell University, 304 Riley-Robb Hall Ithaca, NY 14853-5701 (USA) Tel.: 001 607-255-2280 Fax: 001 607-255-4080 email: [email protected] http://www.bee.cornell.edu/faculty/ faculty-bio.cdm11.htm

•= Applied Nanotechnology and Engineering

•= Biomolecular Motor Research (F1-ATPase)

biomolekulare Motoren (F1-ATPase) vgl. Kap. 6.1.2

Prof. Dr. Christof M. Niemeyer Universität Dortmund, Biologisch- Chemische Mikrostrukturtechnik Otto-Hahn Str 6 44227 Dortmund Tel.: (0231) 755 6128 Fax: (0231) 755 5048 email: [email protected] http://www.uft.uni-bremen.de/ biotech/cmn/

•= Halbsynthetische DNA-Protein-Konjugate

•= Molekulare Nanotechnologie •= DNA-directed assembly •= Biomimetic bottom-up-strategies

Nanofabrikation, DNS-Selbstorganisation vgl. Kap. 2

Prof. Dr. Kazuhiro Oiwa Kansai Advanced Research Center, Protein Biophysics Group 588-2 Iwaoka, Nishi-ku, Kobe 651-24, (Japan) Tel.: 0081 78-969-2230 Fax: 0081 78-969-2239 email: [email protected] http://www-karc.crl.go.jp/d331/ index-E.html

•= biomolekulare Linearmotoren, Kontroll- und Steuersysteme

biomolekulare Linearmotoren vgl. Kap. 6.1.2

Prof. Dr. Wolfgang Pompe, Dr. Michael Mertig Technische Universität Dresden Institut für Werkstoffwissenschaft Hallwachstr. 3 01062 Dresden Tel.: (0351) 463-314 Fax: (0351) 463-31422 email: [email protected] http://www.mpgfk.tu-dresden.de/ arbeitsgruppe/gruppe.html

•= Biomineralisation •= BioNanotechnologie und

Strukturbildung •= Metallische Nanostrukturen auf

biomolekularen Templaten •= Molekulardynamische Simulation

der Clusterbildung •= Einzelmolekülmanipulation und

molekulare Maschinen •= Biomolekulare Strukturbildung an

Oberflächen und Biofilmbildung •= Biomineralisation •= Nanostrukturen auf biomolekularen

Templaten •= Rasterkraftmikroskopische

Untersuchungen an biologischen Proben

Nanobiostrukturierung / S-Schichten (Template, Substrate, Metallisierung) vgl. Kap. 2, 4

Anhang 119119119119

Prof. Dr. Ned C. Seeman Department of Chemistry New York University 1066 Waverly Building New York, NY 10003, (USA) Tel: 001 212-998-8395 email: [email protected] http://www.nyu.edu/pages/chemistry/ Faculty/seeman.html

•= DNA Nanotechnology •= nanomechanical device •= DNA Based Computing.

Nanofabrikation (DNS) DNA-Computing vgl. Kap. 2, 6.2.2

Prof. Dr. Uwe B. Sleytr, Prof. Dr. Dietmar Pum, Prof. Dr. Paul Messner, Prof. Dr. Margit Sára Zentrum für Ultrastrukturforschung und Ludwig Boltzmann Institut für Molekulare Nanotechnologie der Universität für Bodenkultur Wien Gregor Mendelstr.33 A-1180 Wien Tel: 0043 147-654-2200 Fax: 0043 147-891-12 E-Mail: [email protected] http://www.boku.ac.at/zuf/

•= Nanostrukturen •= Nanoglybiologie •= Molekulare Biotechnology und

biomimetische Membranen

S-Schicht Subtrate / Template, Filtrationsmembranen vgl. Kap. 2.2, 3, 4

Dr. Viola Vogel Department of Bioengineering University of Washington Box 351721 Bagley Hall, Room 422B (USA) Tel.: 001 206-543-1776 Fax: 001 206-685-3300 email: [email protected] http://depts.washington.edu/bioe/ people/vogel.shtml

•= Molecular shuttles and tracks •= Organic-matrix controlled

mineralization

biomolekulare Motoren vgl. Kap. 6.1.2

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Nanobiotechnologie I:Nanobiotechnologie I: …...22 Nanobiotechnologie I: Grundlagen und Anwendungen biologischen Systemen und hat deren technische Nutzung in verschie-denen Bereichen