Shuttle für die Nanofabrik
Eine Forscherin aus Zürich entwickelt ein vielseitiges Transportvehikel in Molekülgröße. Der winzige, eisenbahnähnliche "Nanoshuttle" könnte eines Tages Lasten in mikroskopisch kleinen Fabriken hin- und herfahren oder defekte Astronautenanzüge automatisch reparieren.
Viola Vogels Büro ist neu, modern, großzügig - und wirkt fast ein wenig zu aufgeräumt, als wäre es noch nicht vollständig eingerichtet. Die Raumgröße jedenfalls geht auch auf die Wissenschaftlerin zurück. "Ich durfte noch die ganzen Wände aus dem Labor rausreißen", erzählt sie. Als die Physikerin im Sommer 2004 aus den USA nach Zürich kam, bezog sie den futuristischen Neubau der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) und nahm beherzt auf die Innenarchitektur Einfluss. Jetzt heimst die Professorin eine höchst arrivierte Trophäe ein - den Philip Morris Forschungspreis.
Was die Juroren überzeugte: Viola Vogel entwickelt ein vielversprechendes Transportvehikel für die Nanotechnologie. Der winzige, eisenbahnähnliche "Nanoshuttle" könnte eines Tages Lasten in mikroskopisch kleinen Fabriken hin- und herfahren oder defekte Astronautenanzüge automatisch reparieren.
"Nanomat - biologisch orientierte Materialien" steht auf dem Türschild der Wissenschaftlerin. Viola Vogel, die Physik und Biologie studiert hat, lehnt sich in ihrem chromglänzenden Bürostuhl zurück. "Wenn man ein Haar nimmt und 10.000-mal seinen Durchmesser teilt, kommt man runter auf die Nanoskala", erläutert die 46-Jährige. "Wir versuchen, auf dieser winzigen Skala Materialien und neue Instrumente zu entwerfen und zu bauen."
Vorbild Natur
Vogel lässt sich dabei von einem Konstruktionsprinzip leiten, das sie in der Natur aufgestöbert hat. "Wir möchten ein Transportsystem aufbauen, das von biologischen Motoren getrieben wird." Kinesin, so heißen diese Biomotoren, sind millionstel Millimeter kleine Eiweißmoleküle. Sie finden sich zigtausendfach in jeder Körperzelle und befördern gleich einer Lok lebenswichtige Nahrungsstoffe - zum Teil über erstaunliche Distanzen. Wo eine Lok ist, sind auch die Gleise nicht fern. Das Schienennetz der Zelle besteht aus langen, röhrenartigen Fasern, so genannten Mikrotubuli, die sich wie Spinnfäden von einem Zellende zum anderen erstrecken. An diesen Schienen kann sich das Kinesinmolekül regelrecht entlanghangeln und dabei Lasten wie Eiweiße von einem Ort zum anderen schleppen.
Aus den beiden Bausteinen Mikrotubuli und Kinesin formen Vogel und ihr Kollege Henry Hess aus Seattle, ebenfalls Philip-Morris-Preisträger, eine künstliche Nano-Eisenbahn. Dabei greift die ETH-Professorin zu einem ungewöhnlichen Trick, indem sie Motor und Schiene miteinander vertauscht: Statt dass sich wie in der Zelle die Kinesin-Motoren auf den Mikrotubuli-Schienen fortbewegen, "verschraubt" Vogel das Kinesin fest auf eine Unterlage. Die Mikrotubuli gleiten dann wie Waggons über die Motoren hinweg - ähnlich einem Wassereimer, der im Eiltempo von einer Hand zur anderen weitergereicht wird.
Als Unterlage dient schlichtes, mit Speziallack beschichtetes Glas. In den Lack brennen die Forscher winzige, mikrometerfeine Kanäle ein, zum Beispiel kreisförmige Muster. Der nächste Schritt passiert in Vogels neuem, von allen Wänden befreitem Großraumlabor. Mit all seinen Erlenmeyerkolben, Reagenzgläsern und Brutschränken erinnert es an den Chemiesaal in der Schule. Hier benetzt Vogel die Glaskanäle mit einer Flüssigkeit, in der unter anderem die Kinesin-Motorproteine gelöst sind. Das Kinesin setzt sich in den eingebrannten Kanälen ab und verankert sich dort. Kommen nun die Mikrotubuli-Waggons dazu, docken sie an die Kinesinmoleküle in den Kanälen an, um sich anschließend voranschieben zu lassen.
Mit Farbe Markiert
Viola Vogel beobachtet den Prozess in einem der Nebenräume, die vom Hauptlabor abgehen. Hier stehen Spezialmikroskope, die das Nanospektakel sichtbar machen. Die Forscher haben die Mikrotubuli mit Farbstoffen markiert. Nun schaut sich Viola Vogel ein faszinierendes Schauspiel an: "Die Moleküle folgen den Gleisen wie kleine Glühwürmchen", beschreibt sie.
Was noch wie ein kurioses Forscherspielchen anmutet, könnte in Zukunft handfeste, lukrative Anwendungen haben. Schon lange nämlich träumen Visionäre von einer Art Nanowerkbank, die wie am Fließband winzigste Maschinchen zusammenmontiert - etwa jene viel zitierten Medizinroboter, die durch die menschliche Blutbahn patrouillieren und Tumorzellen oder Blutgerinnsel unschädlich machen. "Die Einzelteile für solche Nanomaschinchen können wir zum Teil schon herstellen - auch wenn das noch sehr simple Einzelteile sind", sagt Vogel. "Doch diese Einzelteile effektiv zusammenzusetzen gelingt im Moment noch nicht." Der Züricher Shuttle könnte in einer künftigen Nanofabrik die Rolle des Förderbands übernehmen, das die Einzelkomponenten zur Werkbank hin- und das fertige Maschinchen von ihr wegtransportiert.
Eine zweite Idee: "Langfristig versuchen wir, Materialien zu bauen, die nach Bedarf wachsen und danach wieder schrumpfen können", sagt Vogel. "Oder Materialien, die rechtzeitig irgendwelche Defekte erkennen und von sich aus reparieren." In der Raumfahrt könnten solche intelligenten Werkstoffe feinste Risse in einem Astronautenanzug von selbst erkennen. Ein Nano-Transportsystem würde dann automatisch Reservematerial zum Riss bringen, um ihn zu kitten.
Viele Probleme harren auf Lösung
Nur: Bis solche Visionen Wirklichkeit werden, muss Vogels Team noch grundlegende Probleme lösen. Wie etwa kann man alle Waggons in dieselbe Richtung laufen lassen? Wie lassen sie sich gezielt be- und entladen? Die Wahrscheinlichkeit, dass die Bindungsstelle eines Nutzlastmoleküls genau auf die passende Bindungsstelle eines Nano-Waggons trifft, ist bislang sehr klein.
Die Grundzüge des Nanoshuttles entwickelte Vogel bereits in den USA - in Seattle an der Universität von Washington. Promoviert hat die Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Dann zog es sie ins Forscherparadies Amerika. "Doch nach 16 Jahren USA hat es mich gereizt, nach Europa zurückzukommen", erzählt die Philip-Morris-Preisträgerin. "Aber entscheidend für den Umzug war, dass mir die ETH hier in Zürich extrem gut gefallen hat."
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