Die Technologie hatte noch gar keinen Namen und war systematisch noch nicht zugänglich, als schon die

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1 Nanomaterialien könnten schon in naher Zukunft alle Lebensbereiche des Menschen nachhaltig verändern. Die Forschung und Entwicklung im Bereich der Millionstel Millimeter ist im Münchner Raum ein Schwerpunkt. Hier haben sich Physiker, Chemiker, Biologen und Mediziner zum Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) zusammengeschlossen. Sie wollen neue Anwendungen vor allem für Medizin und Biotechnologie entwickeln. susanne wedlich k l e i n, k l e i n e r a m g r ö s s t e n Die Technologie hatte noch gar keinen Namen und war systematisch noch nicht zugänglich, als schon die erste Lobrede auf sie gehalten wurde: Im Jahre 1959 sprach der große Physiker und spätere Nobelpreisträger Richard Feynman von einer Entwicklung, die nicht aufgehalten werden könne. Gemeint war damit die Nanotechnologie. In diesen Bereich fallen nach heutiger Übereinkunft synthetische Partikel, die gezielt für eine Anwendung produziert werden. Sie dürfen nicht mehr als 100 Nanometer, also Millionstel Millimeter, messen das entspricht in etwa der Größe eines Virus. Feynman sollte Recht behalten: Nach Einschätzung von Experten wird die Nanotechnologie nach und nach all unsere Lebensbereiche verändern von der Elektronik bis zur Medizin. Hunderte von nanohaltigen Produkten sind bereits auf dem Markt, und die Forschung läuft weltweit auf Hochtouren. Auch im Münchner Raum ist Nano ein Schwerpunkt. Etwa 60 Arbeitsgruppen der LMU, der TU München, der Max-Planck- Institute für Biochemie und Quantenoptik, der Universität Augsburg und anderer Forschungseinrichtungen haben sich im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) zusammengeschlossen. Die übergeordnete Vision der daran beteiligten Physiker, Chemiker, Biologen und Mediziner ist, synthetische und multifunktionale Nanosysteme herzustellen und diese zu kontrollieren. In einem weiteren Schritt sollen diese Systeme dann für Anwendungen in der Informationstechnologie, der Biotechnologie oder einer Kombination beider Technologiefelder erschlossen werden. Im Rahmen von NIM sollen aber auch natürliche Nanomaschinen, etwa Proteine, und ihre Funktion untersucht werden. Kleine Struktur, GroSSe Wirkung Und mögliche Anwendungen gibt es unzählige der Fantasie der Forscher sind hier kaum Grenzen gesetzt. Synthetische Nanopartikel zeichnet neben ihrer geringen Größe vor allem ein breit gefächertes Spektrum überraschender Eigenschaften aus. Denn in der Nanowelt herrschen die Gesetze der Quantenphysik, die sich von denen unserer Alltagswelt unterscheiden und intuitiv kaum zugänglich sind. Den synthetischen Nanoteilchen verleihen sie oft überragende Fähigkeiten. In vielen Fällen sind die Partikel größeren Strukturen auch bei identischer Zusammensetzung überlegen. Kurz gesagt: Alleine wegen ihrer geringen Größe verhalten sich die Nanoteilchen oft grundlegend anders als Strukturen, die dieses Format überschreiten. Die besonderen Fähigkeiten der Nanopartikel beruhen in erster Linie auf der Ausdehnung und Zusammensetzung ihrer im Verhältnis zum Volumen extrem großen Oberfläche. Die dort befindlichen Atome sind nicht vollständig gebunden und machen die Partikel extrem reaktiv. 77

2 (7,10) nanotube (chiral) (10,10) nanotube (armchair) T a 1 a 2 (0,10) nanotube (zig-zag) (n,0) zigzag C h = na 1 + ma 2 (n,n) armchair Ein Beispiel: Die Carbon Nanotubes, das sind hohle Kohlenstoffröhrchen, beweisen eine überlegene Wärme- und Stromleitfähigkeit. Sie sind zudem stärker als Stahl, härter als Diamant, leichter als Aluminium und dabei extrem elastisch. Sie sollen einmal in Industriezweigen von der Messtechnik bis zur Optoelektronik eingesetzt werden. Ein Forscherteam um Professor Achim Hartschuh vom Center for NanoScience (CeNS) der LMU hat nun dank einer neuartigen Mikroskopiertechnik die Carbon Nanotubes mit höherer Auflösung als jemals zuvor untersucht. Dabei wurde deutlich, dass bestimmte Defekte im Aufbau die Effizienz der Kohlenstoffröhrchen sogar noch erhöhen können. Über gezielt eingebrachte Fehler im Aufbau könnten wir also die elektrische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften dieser Nanostrukturen je nach Bedarf verändern, berichtet Hartschuh. Aber nicht nur neuartige Strukturen sind für die Wissenschaft interessant. Auch alte Bekannte, die im großen Format chemisch eher träge sind, können als Nanopartikel überraschend aktiv werden. Silber etwa wird wegen seiner keimabtötenden Fähigkeiten unter anderem als Nanobeschichtung für medizinische Instrumente genutzt. Selbst das edle Gold macht als Nanomaterial eine zweite Karriere, so auch bei einem Kooperationsprojekt des Lehrstuhls für Photonik und Optoelektronik von Professor Jochen Feldmann, dem Sprecher des NIM-Exzellenzclusters, und der Firma Roche Diagnostics. Dabei geht es um die Entwicklung von optischen Bauelementen mit Dimensionen, die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. In diesem Fall wurde erstmals ein Nanoresonator mit zwei benachbarten Nanopartikeln aus Gold hergestellt. Die Forscher hefteten an die Goldpartikel mit Farbstoffen versehene Antikörper, die sich mittels molekularer Selbsterkennung (Schlüssel-Schloss-Prinzip) bei Hinzufügen des entsprechenden Analytmoleküls zusammenlagern. Auf diese Weise gelang die Konstruktion eines nanogroßen optischen Resonators, dem wichtigsten Bestandteil eines Lasers. Bei herkömmlichen Resonatoren wird Licht verstärkt, indem es so oft wie möglich zwischen zwei Spiegeln reflektiert wird. Dabei muss der Abstand der beiden Spiegel ein Vielfaches der halben Lichtwellenlänge betragen. Die Dimensionen des neuartigen Resonators sind aber sehr viel kleiner. Er besteht aus kugelförmigen, etwa 40 Nanometer großen Goldpartikeln. Im Abstand weniger Millionstel Millimeter bilden je zwei davon ein Paar, ein so genanntes Dimer. Werden einzelne Goldpartikel angeregt, geraten deren negativ geladene Elektronen in Schwingung. Die im Dimer gekoppelten Schwingungen führen unter anderem zu einer enormen Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Zwischenraum der Goldpartikel. Ein derartiges Nanopartikel-Dimer gleicht herkömmlichen Resonatoren und wird über die Distanz zwischen den Goldteilchen reguliert. Die Forscher hoffen nun, mit Hilfe des neuartigen Bauelements einen Laser im Nanoformat entwickeln zu können. Doch auch im medizinischen Bereich 78

3 7 Die Carbon Nanotubes, das sind hohle Kohlenstoffröhrchen, beweisen eine überlegene Wärme- und Stromleitfähigkeit. Sie sind zudem stärker als Stahl, härter als Diamant, leichter als Aluminium und dabei extrem elastisch. Sie sollen einmal in Industriezweigen von der Messtechnik bis zur Optoelektronik eingesetzt werden. zeigen die Goldpartikel Potential. So wurden sie in einem weiteren Projekt in Jochen Feldmanns Labor genutzt, um Fehler in DNA-Doppelsträngen nachzuweisen. Das neue Verfahren macht sich einen physikalischen Trick zunutze: Das DNA-Molekül setzt sich aus zwei Einzelsträngen zusammen, deren Bausteine paarweise miteinander verknüpft sind. Fehler lassen die beiden Stränge an dem betreffenden Abschnitt weniger stark binden. Dies aber senkt die Schmelztemperatur des DNA-Moleküls. Die beiden Einzelstränge trennen sich dann an der fehlerhaften Stelle bei einer niedrigeren Temperatur als intakte DNA. Dieses Phänomen kann man für den Nachweis eines Defektes nutzen, sagt Jochen Feldmann. Man muss lediglich die Schmelzkurve der DNA messen. Er und sein Team präparierten Aggregate bestehend aus nanogroßen Kügelchen aus Gold, die mittels DNA zusammen gehalten werden. Das Knäuel aus DNA und Edelmetall wurde dann anders als bei herkömmlichen Verfahren ohne Gold nicht langsam erwärmt, sondern mit einem Laserpuls erhitzt. Die Metallkügelchen fungieren dabei als eine Art Heizung: Sie nehmen die Wärme sehr schnell auf und geben sie an die DNA ab. Der entscheidende Vorteil der sehr kostengünstigen und wenig aufwendigen Methode: Anstatt wie bisher eine halbe Stunde dauert der Nachweis eines Fehlers im DNA-Strang mit dieser Methode nur den Bruchteil einer Sekunde und dieser Zeitgewinn kann in manchen Fällen entscheidend sein. Neue Einsichten zu synthetischen Proteinen Defekte im Erbmolekül sind so gefährlich, weil die DNA in ihren Genen die Bauanleitung für Proteine speichert. Das sind die wichtigsten Funktionsträger der Zelle, die ebenfalls häufig nur Millionstel Millimeter messen. Anhand der genetischen Information wird in einem ersten Schritt eine lange Kette aus Aminosäuren synthetisiert, das sind die Bausteine der Proteine. Diese müssen sich in eine je Protein spezifische dreidimensionale Struktur falten, um funktionstüchtige Moleküle zu bilden. Dieser störanfällige Vorgang wird oft von molekularen Anstandsdamen unterstützt. Das sind, nach dem entsprechenden englischen Ausdruck, die Chaperone. Ein internationales Forscherteam konnte nun dank spezialisierter Mikroskopiertechniken unter der Leitung von Professor Don C. Lamb vom Department für Chemie und Biochemie sowie Professor Ulrich Hartl und Dr. Manajit Hayer-Hartl, beide vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried, neue Einsichten in weitgehend noch unverstandene Chaperonvermittelte Proteinfaltung gewinnen. Das Untersuchungsobjekt der Studie war das wichtige bakterielle Chaperon GroEL, das mit dem kleineren GroES zusammenarbeitet. Viele neu synthetisierte Proteine werden innerhalb von GroEL gefaltet. Das zylindrische Molekül galt deshalb bislang eher als eine Art passiver Schutzschild für die neu 79

4 7 Der molekulare Baukasten. Mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops (AFM) werden einzelne Moleküle aus verschiedenen Depotbereichen aufgenommen und auf einer Montagefläche Baustein für Baustein abgesetzt. Diese neuartige Verfahren erlaubt es erstmals, komplexe zweidimensionale Nanostrukturen mechanisch kontrolliert aufzubauen. Beispielsweise könnten durch die Anordnung von Enzymen komplexe biologische Prozesse auf Einzelmolekülebene mechanisch kontrolliert realisiert werden, die sonst nur in lebenden Zellen ablaufen. synthetisierten Proteine. Wir konnten aber zeigen, dass GroEL seine molekularen Schützlinge sogar aktiv bewegt, berichtet Don C. Lamb. Das ist ein streng kontrollierter Vorgang, bei dem das sich faltende Protein nur schrittweise unter Energieverbrauch von dem Chaperon in die Faltungstasche freigesetzt wird. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass die wasserliebenden Domänen des Moleküls zuerst freigelassen werden. Das aber widerspricht der bislang vorherrschenden Ansicht, dass diese Bereiche erst am Schluss gefaltet werden. Don C. Lambs Ergebnisse lassen sich möglicherweise auch auf höhere Organismen übertragen, weil es hier strukturell und funktional ähnliche Chaperone gibt. Andere Moleküle im Organismus entstehen dagegen nach dem Prinzip der Selbstorganisation: Sie können sich automatisch und ohne äußeres Zutun zu komplexen Strukturen zusammenfügen. Einige ihrer Bausteine verfügen an der Außenseite über eine Art molekulares Schloss, andere weisen den passenden Schlüssel auf. Sobald sich zueinander passende Bausteine berühren, binden sie automatisch aneinander. Die Münchner Physiker Elias Puchner und Stefan Kufer am Lehrstuhl für Angewandte Physik von Professor Hermann Gaub machten sich dieses Prinzip zunutze, um Nanobausteine zu komplexen Mustern zusammenzufügen. selbstorganisierende nanostrukturen Seit Kurzem können Moleküle nanometergenau mit einem Rasterkraftmikroskop wie mit einem Kran von einem Depot aufgenommen und an vorgegebener Stelle wieder abgesetzt werden. Als Haken für die Moleküle fungieren dabei DNA-Abschnitte mit unterschiedlich klebrigen Enden. In einer Studie legten die Forscher zunächst ein Muster aus Biotin-Molekülen an. Im nächsten Schritt dienten diese Strukturen als Bindungsstellen für Streptavidin- Moleküle, die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip genau zu Biotin passen. An den durch die Biotin-Moleküle vorgegebenen Positionen ließ sich auf diese Weise jeder beliebige Nanobaustein platzieren, wenn er an ein Streptavidin- Molekül gekoppelt war. Sobald diese Schlüsselmoleküle in die Nähe der Biotin-Positionen kommen, ordnen sie sich nach den identischen Mustern an, berichtet Hermann Gaub. Das ist in etwa so, also ob man nur die Bausteine auf einem Grundriss ausschütten müsste, damit sie sich dann von selbst zu einer Burg zusammensetzen. Im Experiment konnten er und seine Mitarbeiter Strukturen aus verschiedenen Nanokristallen herstellen. Und zwar in der nötigen Präzision: Für funktionale Nanosysteme müssen die Bausteine exakt positioniert sein, so Hermann Gaub. Bei unserer Technik kann man die Moleküle live beim Zusammenbau beobachten und Fehler gegebenenfalls sofort korrigieren. 80

5 In einer weiteren Untersuchung konnten die Wissenschaftler die außerordentlich hohe Präzision ihres Systems unter Beweis stellen: Die Positionsgenauigkeit der Molekülmuster liegt bei zehn Nanometern, wie die Messungen ergaben. Damit bietet sich dieser Baukasten als Testsystem für Fluoreszenz-Mikroskope an, deren Genauigkeit nur mit Hilfe von Strukturen mit bekanntem geometrischem Aufbau ermittelt werden kann. Wir können auf diesem Weg ganz wesentlich zum Fortschritt der Nano-Mikroskopie und damit zur präzisen Abbildung von Strukturen im Bereich der Millionstel Millimeter beitragen. Mit Hilfe des selbstorganisierenden Nanobaukastens könnten zudem künstliche Enzymkomplexe und ganze Molekülfabriken geschaffen werden. Denkbare Anwendungen sind hier etwa die Aufspaltung der vor allem im Holz vorkommenden Zellulose und des Lignin, um Energie aus diesen Molekülkomplexen zu gewinnen. Als Quelle für Biokraftstoffe könnten dann auch Pflanzen genutzt werden, die sich nicht als Nahrungsmittel eignen. Prof. Dr. Jochen Feldmann ist seit 1995 Professor für Photonik und Optoelektronik an der Fakultät für Physik erhielt er den Philip Morris Forschungspreis, im Jahr 2001 den Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft. Von 2005 bis 2007 war er Prorektor der LMU. Prof. Dr. Hermann E. Gaub ist seit 1995 Lehrstuhlinhaber für Angewandte Physik erhielt er den Max-Planck-Forschungspreis, den die Max-Planck-Gesellschaft gemeinsam mit der Alexander von Humboldt-Stiftung vergibt. Prof. Dr. Achim Hartschuh ist seit 2006 Professor am Department für Chemie und Biochemie mit dem Schwerpunkt Physikalische Chemie. Prof. Don C. Lamb, Ph.D., ist seit 2007 Professor für Physikalische Chemie. Davor leitete er eine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl von Prof. Dr. Christoph Bräuchle. 81