Künstliche Ionenkanäle

News: Künstliche Ionenkanäle

Alle unsere Körperzellen sind von Membranen umgeben, die das Zellinnere gegen die Umgebung abtrennen - allerdings nicht hermetisch dicht. Spezielle Proteine übernehmen die wichtige Aufgabe, Ionen kurzzeitig passieren zu lassen. Bei vielen physiologischen Vorgängen spielen diese Ionenkanäle eine entscheidende Rolle. Auch in der Medizin oder für die analytische Chemie könnten sie interessant sein. Chemiker haben jetzt die ersten künstlichen Ionenkanäle konstruiert, die nicht aus Makromolekülen bestehen.

Ionenkanäle spielen in Organismen eine entscheidende Rolle für den Transport von Ionen in und aus einer Zelle. Inzwischen hat aber auch die Analytische Chemie diese Strukturen für sich entdeckt: als potentielle Detektoren, etwa für die medizinische Diagnostik oder auch den Umweltbereich. Künstliche, auf eine spezielle Aufgabe zugeschnittene Poren wären dafür die Voraussetzung.

Stefan Matile, Bodo Baumeister und Naomi Sakai von der Universität Genf ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung gelungen: Die Chemiker haben den ersten auch über längere Zeit stabilen Ionenkanal entworfen, der nicht aus Biomakromolekülen, sondern aus kleineren organischen Molekülen besteht. Sechs einzelne "Stäbe" aus jeweils acht verknüpften Benzolringen bilden das Gerüst der Pore. Von jedem Stab gehen kurze Peptidstränge abwechselnd nach rechts und nach links ab. Wie Finger beim Verschränken der Hände schieben sich diese ineinander, wenn die sechs Moleküle aggregieren. So entsteht ein tonnenförmiges Gebilde mit einem Hohlraum in der Mitte. Gut austarierte abstoßende und anziehende Wechselwirkungen zwischen den Peptidketten erhalten diese Struktur aufrecht. Eingebettet in eine künstliche Membran verhält sich die Mini-Tonne wie ein natürlicher Ionenkanal (Angewandte Chemie vom Juni 2000).

Durch eine Variation der Peptidketten lassen sich die Eigenschaften der Poren beeinflussen. Künstliche Kanäle könnten so gezielt als Sensoren für bestimmte Substanzen entworfen werden. Das Detektionsprinzip wäre im Grunde simpel: Immer wenn ein Analytmolekül in die Pore gelangt, verändert sich der elektrische Widerstand über die Membran. Mit winzigen Elektroden können diese Fluktuationen registriert werden. Ihre Anzahl pro Zeiteinheit ist der Konzentration des detektierten Stoffes proportional. Sogar verschiedene Substanzen können anhand der Stärke und/oder der Dauer der einzelnen Fluktuation unterschieden werden.

"Mit unserer künstlichen Pore haben wir gezeigt, dass Ionenkanäle nicht unbedingt aus Proteinen aufgebaut sein müssen," zeigt sich Matile optimistisch. "Ein gezieltes Kanal-Engineering sollte in Zukunft möglich sein."

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