Molekulare Motoren sind die "Nano-Traktoren" für alle Frachten, die in den Zellen eines Organismus transportiert werden. Entlang so genannter Filamente des Zytoskeletts marschieren sie schrittweise voran, indem sie den Energieträger ATP als Treibstoff nutzen. Mit einer Schrittlänge von etwa zehn Nanometern können die Motorproteine Kinesin oder Dynein sogar Frachtpartikel befördern, die viel größer sind als sie selbst.

Insbesondere in Nervenzellen spielt dieser aktive, durch molekulare Motoren angetriebene Transport eine wichtige Rolle. In den lang ausgestreckten Axonen dienen Mikrotubuli als Schienen, auf denen dann die molekularen Motoren ihr Frachtgut – wie mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel – transportieren.

Doch im Unterschied zu Eisenbahnen oder Autos zeigen molekulare Motoren die Tendenz, von der Schiene oder Straße abzukommen. Denn ihre winzige Größe macht sie anfällig für thermische Störungen, sodass sich ein einziger molekularer Motor nur für eine relativ kurze Zeit – etwa eine Sekunde – auf dem Filament halten kann. Während dieser Zeit legt der Motor ungefähr einen Mikrometer zurück – und damit nur ein Zehntausendstel der langen Transportdistanz von Frachtpartikeln in Axonen. Anders ausgedrückt: Der einzelne Motor schafft nur einen Kurzstreckensprint, während das gesamte Frachtgut einen Marathon zurücklegen muss.

Stefan Klumpp und Reinhard Lipowsky vom Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam konnten jetzt diesen scheinbaren Widerspruch lösen. Wie sie herausfanden, liegt der Trick in der effektiven Zusammenarbeit der Nano-Trecker: Mehrere Motoren ziehen gleichzeitig die Fracht, wobei jeder Motor, der sich vom Filament ablöst, in dessen unmittelbarer Nähe bleibt, solange Fracht und Filament noch mit mindestens einem Motor verbunden sind. Dadurch kann der freie Motor erneut an das Filament binden und dann den Transport des Frachtguts fortzusetzen. Im Gegensatz zu menschlichen Sprintern gibt es also bei molekularen Motoren auch nach vielen aufeinanderfolgenden Läufen keine Ermüdungserscheinungen.

Diesen Mechanismus konnten die Forscher von einem theoretischen Modell abgeleiten, das zwischen den verschiedenen gebundenen Zuständen der Frachtpartikel unterscheidet und die Übergänge zwischen diesen Zuständen beschreibt. Damit ließen sich verschiedene Transporteigenschaften – wie die durchschnittliche Geschwindigkeit oder die Lauflänge der Frachtpartikel – als Funktion der maximalen Zahl der Zugmotoren berechnen. Für Kinesin-Motoren zeigten die Berechnungen, dass bereits sieben bis acht Motoren für den Transport über eine Entfernung von mehreren Zentimetern ausreichen. Ein Frachtpartikel, das von zehn Motoren gleichzeitig gezogen wird, könnte sogar eine durchschnittliche Strecke von ungefähr einem Meter zurücklegen.

Bewegen sich die molekularen Motoren entgegen einer externen Lastkraft, wird diese Kraft unter den Zugmotoren aufgeteilt, wobei die Geschwindigkeit des Frachtguts sinkt. Darüber hinaus steigt mit der Kraft, die auf jeden Zugmotor einwirkt, die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Motor vom Filament ablöst. Je mehr Motoren sich wiederum ablösen, desto größeren Kräften sind die verbleibenden Zugmotoren ausgesetzt, sodass die Wahrscheinlichkeit einer Ablösung immer weiter zunimmt. Das führt zu einer dominoartigen Abfolge von Ablöseprozessen und zu einer stark nichtlinearen Abhängigkeit der Frachtgeschwindigkeit von der externen Lastkraft.

Die von der Theorie vorausgesagten Transporteigenschaften konnten die Wissenschaftler bereits in ersten Experimenten bestätigen. Doch die Max-Planck-Forscher denken schon an die Zukunft: So könnten molekulare Motoren ganz bestimmte Molekülen gezielt zu spezifischen Reaktionsorten auf einem Bio-Chip transportieren. Je nach Anordnung der Filamente ließen sich die molekularen Transporter exakt steuern, die Reagenzien zu ganz bestimmten Zielorten zu bringen.