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Neue Chemie in der Nanofabrik

20.02.2008
Von Handelsblatt 
Der Körper als Sammlung von Nanoreaktoren: Niederländische Forscher sind in der Lage, in winzigen Hohlkugeln Fette zu spalten, Blutzucker zu messen und eines Tages vielleicht sogar Energie zu erzeugen. Ihr Vorbild ist die Natur.

DÜSSELDORF. Für Jan van Hest ist der Mensch eine faszinierende Sammlung an Nanoreaktoren. In jeder Zelle laufen Dutzende Reaktionen ab. Zucker wird zu Kohlendioxid verbrannt, Phosphate gebildet, Proteine auf- und abgebaut. Geballte Produktivität auf wenigen Nanometern, unsichtbar für das Auge. Dagegen muten die Stahlbottiche chemischer Fabriken wie schwerfällige Kolosse an. "In einer Körperzelle laufen alle Vorgänge gleichzeitig ab. Sie ist erheblich vielseitiger als jede gängige chemische Anlage", schwärmt der organische Chemiker von der niederländischen Radboud-Universität in Nijmegen.

Van Hest träumt davon, Nanoreaktoren nach dem Vorbild der Zellen zu bauen und darin eine neuartige Chemie zu begründen. Nanobiotechnologie nennt sich diese Forschungsrichtung. Künstliche Zellen könnten als kleinste Kraftwerke der Welt Energie liefern. Eines Tages könnte sogar ein Hybrid-Organ entstehen, teils aus künstlichen, teils aus natürlichen Zellen - vielleicht der perfekte Organersatz für Diabetiker oder Patienten mit Leberzirrhose.

Noch ist das Zukunftsmusik. Doch die Reaktoren von wenigen Nanometern (ein millionstel Millimeter) Durchmesser hat Jan van Hest schon. 2003 entwickelte er ein langkettiges Molekül, ein Polymer, das sich in Wasser von selbst zur Nanozelle (siehe Kasten) arrangiert. Es besteht aus Polystyrol (Styropor) und Polyisocyanat. Während Polystyrol wasserabweisend ist, liebt Polyisocyanat selbiges. Aufgrund dieser widerstrebenden Eigenschaften ordnen sich die Moleküle im Wasser automatisch zu einer Hohlkugel, bei der die Polyisocyanat-Reste auf der Oberfläche und im Inneren liegen und das Polystyrol die eigentliche Reaktorschale bildet. Seit 2005 vertreibt die Universitätsausgründung Encapson das Spezialpolymer. Viele Chemie- und Pharma-Firmen seien daran interessiert, versichert van Hest. Anwendungen gibt es jedoch noch nicht.

"Das Einzigartige an den Reaktoren ist, dass sie durchlässig sind", hebt er hervor. Kleine Moleküle wie Zucker, Alkohole, Aminosäuren und Mineralien passieren die Schale des künstlichen Konstrukts genauso wie die Membran einer Zelle. Nur Proteine und andere sehr große Verbindungen müssen draußen bleiben.

Diese Eigenschaft macht die Kugeln zum famosen Reaktionsgefäß. Beispielsweise konnten die Niederländer darin Fett spalten, so dass daraus Fettsäuren, der Rohstoff für Seife, und Glycerin, ein Zusatzstoff für Cremes, entstanden. Beide Produkte sind klein genug, um den Reaktor von selbst zu verlassen. Für diese kleinste Seifenfabrik der Welt muss lediglich das Enzym Lipase, ein Protein des menschlichen Körpers, im Inneren des Reaktors vorliegen. Es löst die Zerlegung des Fetts aus. "Sie können jedes Enzym hineintun. Es wird automatisch in den Kugeln eingeschlossen, wenn sich diese in einer Enzym-Wasser-Mischung bilden. Deshalb können wir alle möglichen chemischen Reaktionen machen", freut sich van Hest.

Mit den durchlässigen Minireaktoren kann er sogar den Blutzucker messen. Der Zucker wird im Reaktor von einem Enzym umgewandelt. Dabei entstehen Elektronen. Wenn die äußere Polymerschicht des Reaktors elektrisch leitfähig ist, fließt beim Austreten der Elektronen aus dem Gefäß Strom. Die Stromstärke lässt auf den Zuckergehalt schließen. "Das haben wir schon ausprobiert. Prinzipiell funktioniert das", sagt van Hest. Bei einem Reaktor allein wäre der Stromfluss aber zu gering.

Deshalb möchte er künftig mehrere Gefäße zusammenarbeiten lassen. Dem Niederländer geht es dabei längst nicht nur um bloße Wissenschaft. Die Serie aus Nanoreaktoren möchte er eines fernen Tages Diabetikern ins Blut setzen, von denen jedes Jahr etwa zwei bis vier Prozent an einer unbemerkten Unterzuckerung sterben. Die Nanoreaktoren würden vor der Gefahr warnen. Vom Nanoreaktor im Labor zum fertigen Gerät ist es allerdings ein langer Weg.

Inzwischen treibt der Chemiker weitere Experimente in den Polymerkugeln voran. 2007 konnte er erstmals drei Reaktionen nacheinander ausführen (siehe Kasten). Für ihn ist das aber nur ein Etappensieg auf dem Weg zu seinem großen Vorbild, der menschlichen Zelle. Die erzeugt beispielsweise aus Zucker in einer zehnstufigen Reaktionskette den Brennstoff ATP, der Muskeln und Stoffwechselvorgänge antreibt. "Es wäre großartig, wenn man eine Nanobrennstoffzelle bauen könnte. Man gibt ihr Zucker, und ATP kommt heraus", schildert van Hest seine Vision. Mit dieser Brennstoffzelle könnte er wiederum andere Nanoreaktoren befeuern. Das wäre der erste Schritt zu einem Chemieanlagen-Park en miniature.

Obwohl die Nanoreaktoren im Labor bereits eine Alternative zum Reagenzglas sind, rechnet van Hest aber frühestens in fünf bis zehn Jahren mit Anwendungen. "Sie sind sehr teuer. Da müssen wir noch attraktivere Dinge machen. Am besten solche, die nur in den Nanoreaktoren gehen." Immerhin hat er bereits eine Idee für diesen ultimativen Überlegenheitsbeweis. Bernsteinsäure wird in den menschlichen Zellen zu Kohlendioxid und Wasser zerlegt, wobei abermals ATP frei wird. Das klappt jedoch nur, weil drei Enzyme auf dichtem Raum Hand in Hand wirken. Dieser Enzymkomplex, die Pyruvatdehydrogenase, verlangt geradezu nach einer Nanoschale, die ihn zusammenhält, findet van Hest. Demnächst will er es ausprobieren.

"Es ist durchaus möglich, dass in einem Nanoreaktor Vorgänge ablaufen, die in keinem Reagenzglas beobachtet werden", macht der Physiker Jörg Schuster von der Technischen Universität Chemnitz klar. Zum einen werden die Chemikalien im Nanoreaktor auf engem Raum zusammengepresst, so dass es wahrscheinlicher wird, dass sie miteinander reagieren. Zum anderen werden die Moleküle durch die Wände der Nanogefäße abgebremst und können wie Tropfen an ihnen hängen bleiben. Die Nanogefäße könnten daher ideal für Reaktionen sein, die einen langen Kontakt der Chemikalien erfordern.

Andere Forscher glauben, dass in den ersten Nanoreaktoren vor allem Nanopartikel erzeugt werden. Darin können Feststoffteilchen nämlich nicht größer werden als das Gefäß. Joachim Kötz, Chemiker an der Universität Potsdam, sieht sie deshalb als perfekte Werkzeuge, um Partikel maßzuschneidern. In nanometergroßen Wassertröpfchen, deren Hülle er mit einem Polymer verstärkt, stellte er auf diese Weise rotes Nano-Gold und Nano-Mineralien her. Die Keramikindustrie könnte mit diesen Zutaten Geschirr einfärben, lässt er durchblicken.

Auch im menschlichen Körper steuern die Zellen mit ihrer Größe die Maße der Produkte, etwa die des filigranen Eisenspeicherproteins Ferritin. Wären die menschlichen Zellen nicht nanometer-, sondern tennisballgroß, könnte Ferritin nicht gebildet werden, und der Körper könnte kein Eisen speichern. Der rote Blutfarbstoff Hämoglobin würde nicht mehr gebildet, die Organe bekämen nicht mehr genug Sauerstoff - und all das nur, weil eine einzige Nanoreaktion nicht stattfinden konnte.

"Es gibt so tolle Systeme in der Natur, die wir jetzt mit Chemie füllen", sagt van Hest. Die Chemiefabriken werden seiner Ansicht nach aber nicht zu unsichtbaren Produktionsstätten zusammenschrumpfen. Wenn man große Produktmengen benötige, werde man weiter große Stahltanks verwenden, meint er - in denen aber vielleicht eines Tages Millionen unsichtbarer Nanoreaktoren schwimmen.

Reaktortest in drei Schritten

Domino mit Molekülen Auf dem Weg zur künstlichen Zelle haben die niederländischen Forscher um Jan van Hest unter anderem eine dreistufige Reaktionskette getestet. Dazu benötigten sie gleich drei verschiedene Enzyme. Enzym 1 wandelt außerhalb der Nanoreaktoren komplexe Zuckermoleküle in einfachen Traubenzucker (Glucose) um. Der ist klein genug, um durch die Reaktorhülle zu schlüpfen. Dort angekommen, trifft die Glucose auf Enzym 2, das auf die Oxidation von Zucker spezialisiert ist. Es knüpft aus Glucose und Wasser zwei neue Stoffe: Gluconolacton und Wasserstoffperoxid. Das Wasserstoffperoxid wiederum wird dann von Enzym 3 in der Reaktorhülle umgesetzt, gemeinsam mit dem Vorläufer eines Farbstoffs. Ergebnis: einfaches Wasser und ein Stoff, der die Umgebung des Reaktors grün färbt. Für die Wissenschaftler war das der Nachweis, dass ihr Molekül-Domino funktioniert.

Natur als Vorbild Für Zellen von Lebewesen sind solche Reaktionsketten allerdings ein Kinderspiel. Bei der Energiegewinnung und beim Auf- oder Abbau von Molekülen führen sie komplexe Reaktionsketten durch, die sich auch noch gegenseitig ergänzen und alle parallel laufen - in einem winzigen Raum von wenigen Mikrometern Durchmesser.