News: Kleines Loch, große Wirkung
Forscher haben die wahrscheinlich einfachste Pumpe der Welt hergestellt: Sie besteht aus einem winzigen Loch in einer Kunststofffolie und könnte ein biologisches Rätsel lösen.
© Gesellschaft für Schwerionenforschung (Ausschnitt)
Ionenkanäle sind für den Stoffwechsel einer Zelle überaus wichtig, da sie den Verkehr durch die Zell-Membran regeln: Sie schleusen gezielt nur ganz bestimmte positiv oder negativ geladene Ionen in die Zelle. So ist zum Beispiel ein Ionenkanal, der nur für Kalium-Ionen durchlässig ist, entscheidend an der Regulierung des Blutzuckerspiegels beteiligt. Doch wie funktionieren diese Kanäle eigentlich? Eine Antwort könnte die Nanotechnologie liefern.
Denn Zuzanna Siwy von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt und Andrzej Fulinski von der Jagellonian University in Krakau gelang es jetzt, eine künstliche Pumpe herzustellen, die fast das gleiche leistet. Dabei besteht diese "Pumpe" nur aus einem einige Nanometer kleinen Loch in einer Kunststofffolie – einem Loch, das es in sich hat.
Allein seine Herstellung war mit einigem Aufwand verbunden: Zunächst beschossen die Wissenschaftler dazu einen Kunststofffilm mit einzelnen, hochbeschleunigten Goldatomen. Dann ätzten sie eine Seite der Folie mit Natronlauge an und verliehen so der Pore eine Kegelform mit einem Durchmesser von gerade einmal zwei Nanometern an der engen und 500 Nanometer an der weiten Öffnung.
Als die Wissenschaftler den so behandelten Kunststoff als Trennwand in eine Kaliumchlorid-Lösung einsetzten und an die Lösung quer zur Folie eine niederfrequente, schwache Wechselspannung anlegten, konnten sie beobachten, dass durch die Pore nur die positiv geladenen Kalium-Ionen gepumpt wurden – und zwar nur in eine einzige Richtung.
Erst als die Kalium-Konzentration auf der einen Seite zehnmal so hoch lag als auf der anderen, waren die Abstoßungskräfte zwischen den dicht gedrängten Ionen so stark, dass der Teilchenfluss zum Stillstand kam.
Doch wie kann ein Loch eine solche Wirkung haben? Es ist das Innenleben der Pore, welche die Ionen hindurchtreibt. Durch das Ätzen der Folie verändert sich nämlich nicht nur die Form des Lochs, sondern auch die Oberfläche des Kunststofffilms: Die Natronlauge spaltet dabei Polymer-Ketten auf und lädt so die Innenwände der Pore negativ auf.
Und die Kegel-Form der Pore wiederum bewirkt, dass die negativen Ladungen aus der Sicht eines positiven Kalium-Ions am schmalen Ende dichter gedrängt und daher anziehender sind als am weiten Ende: Das Ion wird in die Pore hineingezogen – und bleibt am spitzen Ende "stecken".
Erst die angelegte Wechselspannung gibt dem Ion den letzten Kick, der es schließlich aus der Pore schleust. Dabei, so stellten die Wissenschaftler fest, hängt die Leistung der Pumpe im Wesentlichen von drei Bedingungen ab: vom Durchmesser der engen Seite der Pore – je kleiner desto besser –, von der Oberflächenspannung an den Innenwänden und von der Frequenz der angelegten Wechselspannung.
Die Forscher sind daher zuversichtlich, dass sie schon bald "Nano-Pumpen" konstruieren können, die nur auf ganz bestimmte Ionen ansprechen - ähnlich wie die Ionenkanäle in einer lebenden Zelle.
Tatsächlich weisen die biologische und die synthetische Pumpe einige Parallelen auf: In beiden Fällen sind die Poren asymmetrisch geformt, und in beiden Fällen treiben elektrische Wechselfelder das Pumpen an.
Der Schluss liegt also nahe, dass biologische Ionenkanäle ganz ähnlich wie die synthetische Pore funktionieren. "Doch wir können nicht behaupten, dass die Pore biologische Eigenschaften hat", gibt Siwy augenzwinkernd zu bedenken. "Die Biologen würden sofort über uns herfallen."
Denn Zuzanna Siwy von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt und Andrzej Fulinski von der Jagellonian University in Krakau gelang es jetzt, eine künstliche Pumpe herzustellen, die fast das gleiche leistet. Dabei besteht diese "Pumpe" nur aus einem einige Nanometer kleinen Loch in einer Kunststofffolie – einem Loch, das es in sich hat.
Allein seine Herstellung war mit einigem Aufwand verbunden: Zunächst beschossen die Wissenschaftler dazu einen Kunststofffilm mit einzelnen, hochbeschleunigten Goldatomen. Dann ätzten sie eine Seite der Folie mit Natronlauge an und verliehen so der Pore eine Kegelform mit einem Durchmesser von gerade einmal zwei Nanometern an der engen und 500 Nanometer an der weiten Öffnung.
Als die Wissenschaftler den so behandelten Kunststoff als Trennwand in eine Kaliumchlorid-Lösung einsetzten und an die Lösung quer zur Folie eine niederfrequente, schwache Wechselspannung anlegten, konnten sie beobachten, dass durch die Pore nur die positiv geladenen Kalium-Ionen gepumpt wurden – und zwar nur in eine einzige Richtung.
Erst als die Kalium-Konzentration auf der einen Seite zehnmal so hoch lag als auf der anderen, waren die Abstoßungskräfte zwischen den dicht gedrängten Ionen so stark, dass der Teilchenfluss zum Stillstand kam.
Doch wie kann ein Loch eine solche Wirkung haben? Es ist das Innenleben der Pore, welche die Ionen hindurchtreibt. Durch das Ätzen der Folie verändert sich nämlich nicht nur die Form des Lochs, sondern auch die Oberfläche des Kunststofffilms: Die Natronlauge spaltet dabei Polymer-Ketten auf und lädt so die Innenwände der Pore negativ auf.
Und die Kegel-Form der Pore wiederum bewirkt, dass die negativen Ladungen aus der Sicht eines positiven Kalium-Ions am schmalen Ende dichter gedrängt und daher anziehender sind als am weiten Ende: Das Ion wird in die Pore hineingezogen – und bleibt am spitzen Ende "stecken".
Erst die angelegte Wechselspannung gibt dem Ion den letzten Kick, der es schließlich aus der Pore schleust. Dabei, so stellten die Wissenschaftler fest, hängt die Leistung der Pumpe im Wesentlichen von drei Bedingungen ab: vom Durchmesser der engen Seite der Pore – je kleiner desto besser –, von der Oberflächenspannung an den Innenwänden und von der Frequenz der angelegten Wechselspannung.
Die Forscher sind daher zuversichtlich, dass sie schon bald "Nano-Pumpen" konstruieren können, die nur auf ganz bestimmte Ionen ansprechen - ähnlich wie die Ionenkanäle in einer lebenden Zelle.
Tatsächlich weisen die biologische und die synthetische Pumpe einige Parallelen auf: In beiden Fällen sind die Poren asymmetrisch geformt, und in beiden Fällen treiben elektrische Wechselfelder das Pumpen an.
Der Schluss liegt also nahe, dass biologische Ionenkanäle ganz ähnlich wie die synthetische Pore funktionieren. "Doch wir können nicht behaupten, dass die Pore biologische Eigenschaften hat", gibt Siwy augenzwinkernd zu bedenken. "Die Biologen würden sofort über uns herfallen."
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