"Nanoschalter" verbindet Biologie und Nanotechnologie
"Ehrlich gesagt haben einige Forscher nicht geglaubt, dass unser Projekt umsetzbar ist", kommentiert Dr. Keith Firman den Abschluss des von ihm unter dem Sechsten Rahmenprogramm (RP6) koordinierten "Mol-Switch"-Projekts (Projekt "Molekularer Schalter"). "Und dennoch ist es uns gelungen, einen funktionsfähigen molekularen Schalter zu entwerfen", erklärte er gegenüber dem Forschungsnachrichtendienst IST Results. Das Projekt konnte nicht nur umgesetzt werden, sondern war trotz intensiver Überprüfung und Skepsis seitens Experten aus verwandten Fachbereichen wie der Biotechnologie und Biophysik ein voller Erfolg. Es ist recht schwierig, das Projekt zu beschreiben: Hauptbestandteil ist ein "Nanoaktuator"-Instrument, welches so klein ist, das man es zur Translokation von DNA-Abschnitten und zur individuellen DNA-Sequenzierung nutzen könnte. Ziel des Projekts war die Entwicklung eines individuellen molekularen "Nanoschalters". Folgende sechs Forschungspartner haben drei Jahre lang an der Entwicklung des Nano-Instruments gearbeitet: Universität Portsmouth, VK; National Physical Laboratory, VK; ENS/CNRS, Frankreich; TUDelft, Niederlande; Universität Parma, Italien; und das Institut für Mikrobiologie in Prag, Tschechische Republik. Zuvor war entschieden worden, das Projekt als erfolgreich zu betrachten, wenn die Funktionstüchtigkeit, Effizienz und Stabilität des Schalters demonstriert sowie seine Wirksamkeit bei der DNA-Sequenzierung und sein kommerzielles Potenzial nachgewiesen werden können. Der experimentelle Teil des Projekts lässt sich in zwei Vorgänge unterteilen. Im ersten Vorgang wird ein biologischer Motor eingesetzt, der als Nanoaktuator (oder einfach als Instrument) fungiert und einen magnetischen Bead in seine Richtung zieht. Durch die Bewegung des Beads wird ein schwacher, aber messbarer, elektrischer Strom erzeugt. Im zweiten Vorgang zieht der biologische Motor fluoreszent markierte DNA in seine Richtung, wobei der Motor zuvor ebenfalls fluoreszent markiert wird. Die Folge dieses Prozesses ist der Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer (FRET - Fluorescent Resonant Energy Transfer), durch welchen genaue Messungen zur DNA-Sequenzierung vorgenommen werden können und der daher Aufschluss über die Präzision des molekularen Schalters gibt. Die Sequenzierung der DNA, d. h. die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts, war Ziel des Humangenomprojektes. In der DNA kommen vier Basen vor. Diese Basen sind Proteine und werden durch die Buchstaben A (Adenin), C (Cytosin), G (Guanin) und T (Thymin) gekennzeichnet. Gensequenzen unterscheiden sich lediglich durch unterschiedliche Kombinationen der Basen A, C, G und T. Die Forscher verwendeten einen molekularen Motor vom Typ "Restriktions-/ Modifikationsenzym". Dieser molekulare Motor bindet sich nur an bestimmte Sequenzen der Basen A, C, G und T. "Es handelt sich um eine sehr spezifische Bindung, da sich der Motor nur an die passenden Basen anlagert, sodass sich genau feststellen lässt, wo sich der Motor auf dem DNA-Strang befindet", so Dr. Firman. Der DNA-Strang wird durch ein magnetisches Feld gerade gehalten, das einen magnetischen Marker am Ende des DNA-Strangs nach außen zieht. Der molekulare Motor ist an einer bestimmten Stelle unterhalb des magnetischen Markers fest positioniert. Der molekulare Motor läuft an, sobald ihm der biologische Treibstoff ATP (Adenosintriphosphat) zugesetzt wird, und zieht den DNA-Strang solange in seine Richtung, bis ihn der magnetischen Marker erreicht. Aber was ist der Sinn dieses Projekts und welchen Nutzen können wir daraus ziehen? Dieser Nanoschalter ermöglicht es ganz einfach, eine Energieform sinnvoll und in kontrollierter Weise in eine andere Energieform umzuwandeln. "Sowohl beim Lichtschalter als auch beim Kugelschreiberknopf handelt es sich um Aktuatoren. Durch die Entwicklung eines molekularen Schalters haben wir einen winzigen Aktuator geschaffen, der in einer ebenso großen Anzahl von Anwendungen einsetzbar sein könnte", erklärt Dr. Firman. Das Projektergebnis ist im wahrsten Sinne des Wortes ein Baustein für die Nanowelt und je weiter die Forscher denken, desto mehr nützliche Anwendungen werden sie für den Schalter finden. "Der Schalter könnte als Verbindungselement zwischen der biologischen und der Siliziumwelt dienen. Ich könnte mir unter Verwendung von ATP einen Einsatz des Schalters als Schnittstelle zwischen Muskeln und externen Geräten bei menschlichen Implantaten vorstellen. Von einer solchen Anwendung sind wir immer noch 20 oder 30 Jahre entfernt", betont Dr. Firman. "Das alles ist sehr aufregend und wir sind gerade dabei, ein Patent für die Grundkonzepte zu beantragen." Ein zufälliges Nebenprodukt dieses Forschungsprojekts ist die DNA-Sequenzierung. Wenn der DNA-Strang fluoreszent markiert wird und "man die Geschwindigkeit des Motors kennt, die bei einer bestimmten Temperatur zuverlässig konstant bleibt, dann kann man die Position des DNA-basierten, fluoreszierenden Markers im Verhältnis zur Bindungsstelle des Motors bestimmen", so Dr. Firman. "Es müssen noch weitere Versuche vorgenommen werden. Das Konzept ist jedoch stimmig und wir haben nun genügend Anhaltspunkte dafür, dass das Prinzip zur Sequenzierung von Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs), die für genetisch bedingte Funktionsstörungen verantwortlich sind, genutzt werden kann." Der nächste Schritt wird aus der Umsetzung dieser Idee in ein vermarktbares Produkt bestehen. "Wir bewerben uns zurzeit für ein neues Projekt im Rahmen des EU-Programms NEST (Neue und sich abzeichnende wissenschaftliche und technologische Entwicklungen). Wenn die Bewerbung erfolgreich verläuft, dann werden wir ein kommerzielles Produkt für den Bereich der Biosensorik entwickeln", kündigt Dr. Firman an.
Länder
Tschechien, Frankreich, Italien, Niederlande, Vereinigtes Königreich