Molekulare Biotechnologie || Nanobiotechnologie

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    13-Dec-2016

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<ul><li><p>Nanobiotechnologie 7Einfhrung</p><p>Sichtbarmachung im Nanomastab</p><p>Rastertunnelmikroskopie</p><p>Rasterkraftmikroskopie</p><p>Nachweis von Viren mittels Rasterkraftmikroskopie</p><p>Das Wiegen einzelner Bakterien und Viruspartikel</p><p>Nanopartikel und ihre Anwendung</p><p>Nanopartikel fr die Markierung</p><p>Grenquantisierungs effekt und Farben von Nanokristallen</p><p>Nanopartikel fr die Verabreichung von Arznei stoffen, DNA oder RNA</p><p>Nanopartikel in der Krebstherapie</p><p>Zusammenbau von Nanokristallen durch Mikroorganismen</p><p>Nanorhrchen</p><p>Antibakterielle Nanoschichten</p><p>Nachweis von Viren durch Nanokabel</p><p>Ionenkanle als Nanosensoren</p><p>Gentechnische Vernderung von DNA im Nanomastab</p><p>Mechanische DNA-Nanomaschinen</p><p>Kontrollierte Denaturierung von DNA durch Nanopartikel aus Gold</p><p>Kontrollierte Vernderung der Proteinstruktur durch DNA</p><p>Biomolekulare Motoren</p><p>Weiterfhrende Literatur</p></li><li><p>200 Nanobiotechnologie7</p><p>Einfhrung</p><p>Richard Feynman prognostizierte im Jahr 1959 als erster Wissenschaftler die Zukunft der Nanotechno-logie und uerte die Vermutung, dass Maschinen und Materialien eines Tages auf atomarer Ebene kon-struiert wrden: Die physikalischen Gesetze spre-chen, soweit ich das beurteilen kann, nicht dagegen, Dinge Atom fr Atom bewegen zu knnen.</p><p>Die Molekularbiologie beschftigt sich weitge-hend mit der Untersuchung von Mikroorganismen. Ein Mikrometer ist ein Millionstel eines Meters und in etwa die Lnge einer Zelle von Escherichia coli, dem fr den Genetiker wichtigsten Bakterium. Ein Nanometer ist ein Tausendstel eines Mikrometers (= 109 Meter; Abb. 7.1). Die Bezeichnungen mikro- und nano- stammen beide aus dem Griechischen. mik-ros bedeutet klein, nanos ist dagegen bildhafter und bedeutet kleiner alter Mann oder Zwerg. pico- stammt aus dem Spanischen, wo es eine kleine Menge bezeichnet. Vorsilben fr noch gerin-gere Mengen sind in Tabelle 7.1 aufgefhrt. Mit die-sen Begriffen lassen sich subatomare Dimensionen beschreiben. Handelt es sich jedoch um Massen und Volumina im Nanomastab, dann werden Begriffe wie Femtogramm und Zeptoliter verwendet. </p><p>Vor nicht allzu langer Zeit hat die Wissenschaft den Schritt in den Bereich der Nanotechnologie vollzogen. Wie der Name bereits andeutet, ist das Vordringen in diese Thematik eng verknpft mit der Suche nach neuen praktischen Anwendungen, insbe-sondere in der Elektronik und der Materialforschung, </p><p>und weniger mit der Suche nach theoretischem Wis-sen. Zur Nanotechnologie gehrt die individuelle Manipulation einzelner Molekle oder Atome. Das ursprngliche Ziel war mglicherweise, Materialien mit neuen oder stark verbesserten Eigenschaften zu finden, indem man sie Atom fr Atom oder Molekl fr Molekl aufbaut. Doch das Spektrum erweiterte sich und die Nanotechnologie beschftigt sich mitt-lerweile mit Strukturen, die so klein sind, dass ihre Untersuchung und ihre Manipulation bis vor kur-zem nicht mglich waren. Im Nanomastab nehmen Quanteneffekte zu und die Materialien verhalten sich hufig ungewhnlich, verglichen mit ihren Festkr-pereigenschaften.</p><p>Die Bestandteile von biologischen Zellen entspre-chen in ihrer Gre in etwa den Materialien, die von der Nanotechnologie untersucht werden. Nano-technologen suchen daher auch im Bereich der Zell-biologie nach ntzlichen Strukturen, Prozessen und Informationen. Zellulre Organellen wie Ribosomen lassen sich als programmierbare Nanomaschinen betrachten. Die Nanotechnologie drngt somit auch in Richtung Molekularbiologie. Ein Groteil der Nanobiotechnologie ist aus der Sicht der Materi-alforschung tatschlich Molekularbiologie, und sie verwendet eine neue Terminologie.</p><p>Alle chemischen Reaktionen finden auf Mo-leklebene statt. Was die echte Nanotechnologie allerdings davon abgrenzt, ist, dass hier einzelne Molekle oder Nanostrukturen nach spezifischen Anleitungen zusammengesetzt werden. Ein Ribo-som polymerisiert nicht einfach Aminosuren zu einer Kette. Es verwendet entsprechend der zur </p><p>7.1 GrenvergleichDie Gre der Objekte reicht von einem Meter bis zu einem Picometer.</p><p>1 m0.1 m1 cm1 mm100 m10 m1 m100 pm 1 nm 10 nm 100 nm10 pm1 pm }}}}</p><p>Kohlen-stoatom</p><p>Protein T2-Phage</p><p>Wassersto-atom</p><p>Elektron</p><p>Elektron Mikroskop</p><p>Lichtmikroskop</p><p>unbewanetes Auge</p><p>Bakterien eukary-otische Zelle</p><p>kleinesInsekt</p><p>groerHund</p><p>kary-e Zelle</p><p>kleinesInsekt</p></li><li><p>Sichtbarmachung im Nanomastab 201 7</p><p>Verfgung stehenden Information spezielle Ami-nosuren und verbindet sie in einer bestimmten Reihenfolge. Zu den entscheidenden Eigenschaften einer Nanomaschine gehrt daher die Fhigkeit, Strukturen nicht nur auf Moleklebene zusammen-zusetzen, sondern dabei auch spezifisch und kon-trolliert vorzugehen. </p><p>Das wichtigste praktische Ziel fr die Nano-biotechnologie ist die Verwendung von biologi-schen Komponenten fr Anwendungen im Nano-mastab. Einige dieser Anwendungen sind nichtbio-logischer Natur und stammen aus der Elektronik und der EDV, andere sind jedoch fr die Biologie oder die Medizin von Bedeutung. In diesem Kapitel soll durch ausgewhlte Beispiele gezeigt werden, wie biologi-sche Anstze einen Beitrag zur Nanobiotechnologie leisten.</p><p>Viele Bestandteile biologischer Zellen liegen be-zglich ihrer Gre im Nanobereich. Mit dem Fort-schritt der Nanotechnologie ergeben sich viele Ver-bindungen zur Biotechnologie und zur Gentechnik.</p><p>Sichtbarmachung im Nanomastab</p><p>Um Materialien auf atomarer Ebene manipulieren zu knnen, muss man einzelne Atome und Molekle se-hen knnen. Obwohl sich Molekle auch mit einem Elektronenmikroskop sichtbar machen lassen, war es die Entwicklung von Rastersondenmikroskopen (RSM) (engl. scanning probe microscopes, SPM), die ein neues Feld fr die Nanotechnologie erffneten. Diese Gerte besitzen eine Sonde, die die zu untersu-chende Oberflche abtastet.</p><p>Alle Rastersondenmikroskope messen bestimmte Eigenschaften des Probenmaterials wie den elektri-schen Widerstand, den Magnetismus, die Tempera-tur oder die Lichtabsorption mithilfe einer sehr fei-nen Spitze, die sehr dicht ber der Probenoberflche positioniert wird. Das Mikroskop fhrt die Sonde in einem vorgegebenen Raster (Raster-Scan) ber die Oberflche (Abb. 7.2), wobei die gewnschte Eigen-schaft gemessen wird. Die Daten werden als geraster-tes Bild, hnlich dem auf einem Fernsehbildschirm, dargestellt. Im Gegensatz zu herkmmlichen Mikros-kopen nutzen diese Gerte kein Linsensystem, sodass hier auch nicht die Lichtbrechung die Auflsung </p><p>Tabelle 7.1 Vorsilben und Gren</p><p>Lngeneinheit Meter Beispiele</p><p>5,9 Terameter mittlerer Abstand zwi-schen Sonne und Pluto</p><p>Terameter 1012</p><p>150 Gigameter Abstand der Erde zur Sonne</p><p>Gigameter 109</p><p>380 Megameter Abstand des Mondes zur Erde</p><p>6,3 Megameter Radius der Erde</p><p>3,2 Megameter Lnge der chinesischen Mauer</p><p>Megameter 106</p><p>Kilometer 103</p><p>30 Meter Lnge eines Blauwals</p><p>Meter 1 Lnge eines groen Hundes</p><p>Millimeter 103 kleines Insekt</p><p>Mikrometer 106 Bakterienzelle</p><p>500 Nanometer Wellenlnge sichtbaren Lichtes</p><p>100 Nanometer Gre eines typischen Virus</p><p>3,4 Nanometer eine Windung der DNA-Doppelhelix</p><p>Nanometer 109 Molekle</p><p>350 Picometer Durchmesser eines Wassermolekls</p><p>260 Picometer Atomabstand in festem Kupfer</p><p>77 Picometer Atomradius von Kohlen-stoff (= Auflsungsgrenze eines Rasterkraftmikros-kops aus dem Jahr 2004)</p><p>32 Picometer Atomradius von Wasser-stoff</p><p>ngstrm = 100 Picometer = 1010 Meter</p><p>2,4 Picometer Wellenlnge eines Elektrons</p><p>Picometer 1012</p><p>Femtometer 1015 Radius eines Atomkerns</p><p>Attometer 1018 Radius eines Protons</p><p>Zeptometer 1021</p><p>Yoctometer 1024 Radius eines Neutrinos</p></li><li><p>202 Nanobiotechnologie7</p><p>begrenzt, sondern die Gre der Sonde. Mit einigen dieser Mikroskope lassen sich die Proben nicht nur sichtbar machen, sondern auch verndern.</p><p>Das erste Rastersondenmikroskop war das Ras-tertunnelmikroskop (RTM) (engl. scanning tunne-ling microscope, STM), das Gerd Binnig und Heinrich Rohrer von IBM (s. folgender Abschnitt) entwickel-ten, wofr sie im Jahre 1986 den Nobelpreis erhiel-ten. Das RTM schickt Elektronen, also elektrischen Strom, durch die Probe und misst auf diese Weise den elektrischen Widerstand. Das Rasterkraftmikroskop (RKM) (engl. atomic force microscope, AFM) ist in der Biologie besonders ntzlich und misst die Krfte, die zwischen der Sondenspitze und der Probe wirken.</p><p>Die Sichtbarmachung einzelner Molekle oder Atome ist mithilfe von Rastersondenmikroskopen mglich.</p><p>Rastertunnelmikroskopie</p><p>Wird eine Metallspitze sehr dicht an eine leitende Oberflche herangefhrt, dann flieen zwischen Spitze und Oberflche Elektronen (der sog. Tun-</p><p>nelstrom). Die Strke des Tunnelstromes ist expo-nentiell abhngig von dem Abstand zwischen Spitze und Oberflche. Oberflchenkonturen lassen sich kartieren, indem ein Regelkreis angeschlossen wird, der dafr sorgt, dass der Tunnelstrom immer kon-stant bleibt, whrend die Spitze ber der Oberfl-che schwebt. Durch Heben und Senken der Spitze beim Abtasten der Probe erhlt man Informationen ber die Topographie der Oberflche im atomaren Mastab (Abb. 7.3). </p><p>Mithilfe eines RTM lassen sich Atome auch be-wegen. Im Jahr 1989 fhrten D. M. Eigler und E. K. Schweizer das wahrscheinlich aufsehenerregendste Experiment der Nanotechnologie durch, indem sie 35 Xenonatome auf einer Nickeloberflche zum IBM-Logo anordneten. Sie whlten Nickel, da hier die Tler zwischen den Reihen aus Nickelatomen ausreichend tief sind, um die Xenonatome an ihrem Platz zu halten. Die Tler sind also auch flach genug, sodass sich die Xenonatome ber die Oberflche zie-hen lassen. Um die Xenonatome zu bewegen, wurde die RTM-Spitze im imaging mode des Mikroskops ber einem Xenonatom platziert. Als nchstes schal-tete man den scanning mode aus und die Spitze wurde abgesenkt, bis der Tunnelstrom um ein Vielfaches angestiegen war (fabrication mode). Das Xenonatom wurde von der RTM-Spitze angezogen und durch eine horizontale Bewegung an seinen neuen Platz </p><p>Rcklauf</p><p>Abtasten</p><p>7.2 Prinzip des Raster-ScansBeim Raster-Scan bewegt sich die Sonde ber der Zielregion hin und her. Die Sonde tastet nur ab, wenn sie sich in eine Richtung bewegt (Abtasten). In die andere Richtung bewegt sie sich schneller und ohne Kontakt zur Probe (Rcklauf).</p></li><li><p>Rastertunnelmikroskopie 203 7</p><p>7.3 Prinzip eines Rastertunnelmikroskops (RTM)In dem Ausschnitt sind Sondenspitze und Oberflchenatome dargestellt.</p><p>Atome ander Sonden-spitze</p><p>Atome auf derProbenoberflche</p><p>Tunnelstrom</p><p>+</p><p>Messelement(Piezoscanner)</p><p>Kontrolleinheit zurFeinpositionierung</p><p>Kontrolleinheit zurGrobpositionierung</p><p>V ibrat ionsdmpfung</p><p>Regelkreis</p><p>Monitor</p></li><li><p>204 Nanobiotechnologie7</p><p>gebracht. Dort wurde der Tunnelstrom reduziert und das Atom abgelegt. Seitdem wurden viele Diagramme auf diese Weise erstellt. Der Kohlenmonoxidmann ist in Abbildung 7.4 dargestellt. </p><p>Aus biologischer Sicht hat das RTM den Nach-teil, dass sich nur elektrisch leitende Oberflchen untersuchen lassen, in der Praxis handelt es sich dabei in der Regel um Metallschichten. Ein Ras-terkraftmikroskop (s. folgender Abschnitt) hat den Vorteil, dass das Material nicht leitfhig sein muss. Es findet daher in der Biologie ein breites Anwen-dungsgebiet.</p><p>Das Rastertunnelmikroskop lsst sich einsetzen, um einzelne Atome einer elektrisch leitenden Oberflche sichtbar zu machen oder sie zu be-wegen.</p><p>Rasterkraftmikroskopie</p><p>Fr die Sichtbarmachung im Nanomastab nutzt man hufig ein Rasterkraftmikroskop (RKM). Wie der Name schon sagt, beruht das Verfahren auf der Messung einer mechanischen Wechselwirkung und nicht auf der Messung flieender Partikel, seien es Photonen wie bei der Lichtmikroskopie oder Elektro-nen wie bei der Elektronenmikroskopie.</p><p>Physiker vergleichen die Arbeitsweise eines RKM hufig mit der eines altmodischen Plattenspielers, bei dem eine Nadel ber die Oberflche der Schall-platte kratzt. Fr einen Biologen ist der Unterschied zwischen einem Lichtmikroskop und einem RKM hnlich dem Unterschied zwischen dem Lesen eines Textes mit den Augen und dem Ertasten der Blinden-schrift mit den Fingerspitzen.</p><p>Das Rasterkraftmikroskop wurde im Jahr 1985 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christof Gerber entwickelt. Bei dem RKM gleitet eine feine Spitze, die an einem Trger angebracht ist, ber die Ober-flche einer Probe. Durch die zwischen Spitze und Probe auftretenden Krfte biegt sich ein Federbalken (engl. cantilever) und diese Biegung wird dokumen-tiert. Die Spitze wird in einem vorgegebenen Raster ber die Oberflche gefhrt und das entstehende Bild der Oberflchentopographie wird auf einem Monitor dargestellt. </p><p>Whrend des Abtastens werden die Spitze oder die Probe durch ein sehr genau arbeitendes Stellele-ment aus piezoelektrischer Keramik bewegt. (Dieses Material verndert die Form als Reaktion auf eine angelegte Spannung.) Das Stellelement hat in der Regel die Form eines Rhrchens, das sich in alle drei rumlichen Dimensionen im Sub-ngstrm-Bereich zu bewegen vermag. </p><p>Die RKM-Sonde befindet sich am Ende eines biegsamen Federbalkens. Auf diesen Federbalken ist ein Laserstrahl gerichtet, der abgelenkt wird, wenn sich der Federbalken aufgrund der auf die Spitze wirkenden Kraft biegt. Die Biegung lsst sich dann anhand der Ablenkung des Laserstrahls messen, wie in Abbildung 7.5 dargestellt ist. Der Laserstrahl wird auf eine geteilte Photodiode gelenkt und die Unter-schiede zwischen dem A- und dem B-Signal sind ein Ma fr die Biegung des Federbalkens. Kleine Vern-derungen sind dabei proportional zur aufgewendeten Kraft. Die Kraft zwischen Spitze und Probe lsst sich somit bestimmen.</p><p>Der Abstand zwischen Spitze und Probe wird so eingestellt, dass er im Bereich der Abstoung </p><p>7.4 Der Kohlenmonoxidmann von ZeppenfeldDie Atome wurden mithilfe eines RTM angeordnet. Der Mann besteht aus Kohlenmonoxid auf einer Platinober-flche. Mit freundlicher Genehmigung von International Business Machines Corporation 1995, IBM.</p></li><li><p>Nachweis von Viren mittels Rasterkraftmikroskopie 205 7</p><p>der intramolekularen Kraftkurve liegt. Das bedeutet, dass die RKM-Sonde durch ihre molekulare Wech-selwirkung von der zu untersuchenden Oberflche abgestoen wird. Durch die Abstoung lsst sich die Oberflchentopographie messen und in einer Abbildung darstellen, in der Farben die relativen Hhen anzeigen. Es ist mglich, die Oberflche nach ihren topographischen Gegebenheiten abzusuchen, anschlieend die RKM-Sonde anzuheben und die Oberflche ein weiteres Mal nach elektrostatischen oder magnetischen Krften abzutasten. Diese Ergeb-nisse knnen ebenfalls graphisch dargestellt werden und lassen sich mit den topographischen Gegeben-heiten vergleichen. </p><p>Wie bei dem RTM ist es auch mit dem RKM mglich, einzelne Atome zu bewegen, obwohl dies nur einmal im Jahr 2003 gelang. Forscher der Universitt von Osaka, Japan, entfernten ein ein-zelnes Siliziumatom aus einer Oberflche und er-setzten es. </p><p>Durch den Einsatz eines RKM ist es mglich, polymere biologische Molekle wie DNA oder Cel-lulose sichtbar zu machen und sogar einzelne Mo-nomere (bei hoher Auflsung sogar Atome) zu be-trachten.</p><p>Das Rasterkraftmikroskop kann Atome oder Mole-kle detektieren, indem eine Oberflche hinsicht-lich ihrer Topographie oder ihrer elektromagneti-schen Eigenschaften abgetastet wird.</p><p>Nachweis von Viren mittels Rasterkraftmikroskopie</p><p>Ein Rasterkraftmikroskop (RKM) lsst sich einsetzen, um die Anwesenheit von Viruspartikeln nachzuw...</p></li></ul>