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Computermodell eines Zell-Rezeptors

Neue Materialien aus weicher Materie

Viele Prozesse in Organismen beruhen auf der Selbstorganisation biologischer Bausteine. Für Materialforscher sind solche Stoffe ein Traum: Sie reagieren selbstständig auf ihre Umgebung und können sich dabei verschiedenen Bedingungen anpassen. Am US-amerikanischen MIT wollen Forscher solche Wundermoleküle künstlich erzeugen.

Biomoleküle 09.05.2014

Die Natur macht es mit beeindruckender Eleganz vor: Proteine bilden lange Fasern, DNA-Moleküle winden sich zur Strickleiter, Fette umhüllen ganze Zellen. Dabei sind es schlicht die Eigenschaften der beteiligten Komponenten, die sie zu komplexen Gebilden wachsen lassen. Durch die schwachen Wechselwirkungen ihrer Atome ist ihr Zusammenhalt flexibel - in der Physik zählt man solche Moleküle zur "weichen Materie". Diese besteht aus Substanzen, die sich physikalisch nicht einwandfrei als fest oder flüssig einordnen lassen und ihre Eigenschaften mit zum Teil erstaunlicher Geschwindigkeit ändern.

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Dem Thema widmete sich am 9. Mai auch ein Beitrag in den Dimensionen.

Besonders anschaulich zeigt sich das bei Maisstärke, die man mit Wasser mischt: Lässt man sie langsam durch die Finger gleiten, ist das Gemisch flüssig. Drückt man die Hand dabei zu, wird sie schlagartig fest. Man kann daraus einen Ball formen, der sofort zerrinnt, wenn keine Kraft mehr auf ihn wirkt. Verglichen mit anderen weichen Materialien der Natur, folgen solche Stärkemoleküle aber eher simplen Mechanismen, sagt der Physiker Alfredo Alexander-Katz, der am Massachusetts Institute of Technology die Eigenschaften weicher Materialien erforscht.

Wundermoleküle aus dem Blut

"Im Laufe der Evolution hatte die Natur viel Zeit, um weiche Materialien zu entwickeln. Dazu gehören auch die wichtigsten Bausteine des Lebens, wie DNA oder Proteine. Das sind sehr komplexe Polymere, die aber clevere Lösungen für viele Probleme bieten - wenn wir ihre Mechanismen verstehen, können wir daraus Ideen für andere Anwendungen schöpfen", so Alexander-Katz. Eines der Moleküle, mit denen sich der Wissenschaftler beschäftigt, findet man im Blutkreislauf von jedem Säugetier, den Menschen mit eingeschlossen. Es verhindert, dass man innerlich verblutet.

Denn die Zellen, mit denen die Wände der Blutgefäße ausgekleidet sind, sterben nach einiger Zeit ab und müssen ersetzt werden. Dabei entstehen ununterbrochen kleine Löcher, aus denen man blutet. Man braucht also einen Mechanismus, der solche undichten Stellen sofort flickt und neue Zellen wachsen lässt. Für dieses Reparaturservice ist ein unförmiges Knäuel aus langen Proteinketten verantwortlich - der Von-Willebrand-Faktor. Solange der Blutstrom ungestört ist, wandert das riesige Molekül mit allen anderen Bestandteilen des Bluts durch die Gefäße.

Klebrig durch Fließkräfte

Trifft es dabei jedoch auf ein Leck, passiert Erstaunliches: Wo Blut ausströmt, entfaltet sich das Protein und wird klebrig. Die schnellere Fließgeschwindigkeit zieht den Von-Willebrand-Faktor auseinander wie eine Tixorolle. Dabei werden Bindungsstellen des Proteins freigelegt, die sich spezifisch an die Gefäßwand und an Blutplättchen haften - es leitet damit die Blutgerinnung ein, ein Pfropfen formt sich und schließt das Loch. Die Kraft, die für das Auseinanderziehen aufgebracht werden muss, ist perfekt an den Blutkreislauf angepasst: In unverletzten Gefäßen bleibt der Von-Willebrand-Faktor eingerollt und gut löslich.

Diese Fähigkeit will Alexander-Katz für synthetische Materialien nutzen: "Wenn wir eine Substanz hätten, die sich wie diese Mischung aus Von-Willebrand-Faktor und Blutplättchen verhält, könnte man sie zum Beispiel für die Ölförderung nutzen. Schnellfließende Teile würden zusammenkleben und dadurch die Scherkräfte erhöhen. So könnte man eine Ölquelle effizienter ausbeuten, denn der Förderdruck würde sich besser verteilen."

Werkstoff und Medikamententransporter

Auch für neuartige Werkstoffe will Alexander-Katz die Moleküle einsetzen. Aus ihnen ließen sich "funktional gradierte Materialien" herstellen, die aus einem einzigen Material bestehen, aber dennoch an verschiedenen Stellen unterschiedliche Eigenschaften besitzen - beispielsweise die Elastizität von Gummi und die Steifigkeit von Hartplastik. In einem 3-D-Drucker könnte man sie durch die Änderung der Fließgeschwindigkeit beim Drucken beliebig oft variieren und dabei extrem widerstandsfähige Verbundwerkstoffe erzeugen. "Das Beste daran", schwärmt der Wissenschaftler, "ist, dass sich Risse in dem Material von selbst heilen würden."

Für Alexander-Katz sind die Anwendungsmöglichkeiten seines Lieblingsmoleküls damit aber noch lange nicht erschöpft. In seiner natürlichen Umgebung - dem Blutkreislauf - könnte der Von-Willebrand-Faktor eine Reihe medizinischer Zwecke erfüllen. Denn die Bindungsstellen, mit denen seine Proteinketten an Blutplättchen andocken, ließen sich beinahe beliebig verändern. Für den Physiker wäre es denkbar, dass man sie auf das Erkennen bestimmter Medikamente umprogrammiert, die bei der Behandlung von Krebs angewendet werden. Denn bei vielen Tumorarten finden sich große Mengen an Von-Willebrand-Faktoren - die Geschwüre wachsen so schnell, dass sie die Bildung neuer Blutgefäße überfordern und sich viele Fehler in die Gefäßwände einschleichen.

Nanopartikel in Zellmembran

Mit maßgeschneiderten Von-Willebrand-Proteinen könnte man daher die Krebsmedikamente direkt bei den Tumoren abliefern - was ein enormer Fortschritt wäre, denn der gezielte Wirkstofftransport ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Medikamenten. Ein weiteres Projekt von Alexander-Katz hat deshalb ein ähnliches Ziel: Er arbeitet an einem Material, mit dem man Substanzen direkt in eine Zelle befördern kann.

Es handelt sich dabei um Nanopartikel, die durch Zellmembranen wandern können, ohne dabei entdeckt zu werden. Allein die Oberfläche dieser Partikel sorgt dafür, dass sie in die Doppelschicht aus Fettmolekülen ungehindert eindringen. Eine beachtliche Leistung, denn Zellmembranen haben sich im Laufe der Jahrmilliarden zu Barrieren entwickelt, die kaum ein größeres Molekül unbemerkt überwindet. Die Nanopartikel reihen sich dagegen von selbst neben die anderen Membranbestandteile. In ihrem Inneren könnten sie dabei Wirkstoffe tragen, die sie an die Zelle abgeben.

Künstliche Immunzellen?

Das Problem dabei: Die Nanomaterialien dringen in jede Zelle ein, auf die sie stoßen. Alexander-Katz will sie deshalb auf bestimmte Zelltypen abrichten, die dann gezielt behandelt werden können. Die Fähigkeit dieses Materials, sich dauerhaft in Membranen einzubetten, will er in Zukunft aber auch für andere Zwecke nutzen. Als künstliche Signalgeber könnten sie bestimmte Moleküle erkennen, die sich von außen einer Zelle nähern, und daraufhin eine entsprechende Reaktion im Innern der Zelle auslösen.

Das kühne Vision des Wissenschaftlers: künstliche Immunzellen, deren Angriffsziele nach Wunsch programmiert werden können, indem man die passenden Nanopartikel in ihre Membran einbaut. Ein Vorhaben, das wohl noch viel Zeit in Anspruch nehmen wird. Bisher findet ein Großteil seiner Arbeit als Computersimulation statt. Alexander-Katz ist aber zuversichtlich, dass sich selbst organisierende, weiche Materialien in nicht allzu ferner Zukunft eine wichtige Rolle für die Medizin spielen werden.

Wolfgang Däuble, Ö1 Wissenschaft

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