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Die einfachste Maschine der Welt

Hermann Gaub referierte beim 4. Leibniz-Kolleg

Staunen war angesagt beim 4. Leibniz-Kolleg Potsdam, das sich am 9. und 11. Juni mit molekularen Maschinen an der Schnittstelle zwischen Biologie und Physik beschäf­tigte. Hermann Gaub, Phy­sikprofessor an der Ludwig­Maximilians-Universität München, reiste mit seinen

rund 350 Zuhörern im Au­dimax in das Reich der Bio­moleküle. Dabei zeigte er nicht nur, dass auch trocke­ne Naturwissenschaften auf unterhaltsame Art vermittelt werden können. Er ließ auch ein Stück der Begeisterung deutlich werden, die For­schung bereiten kann.

Computersimulationen zur Messung von Bindungskräften zwischen ver­Foto: zg.

schiedenen Zellen

Der Fortschritt zu noch kleine­ren Bauteilen könnte den „Rückschritt“ zur Mechanik bedeuten. Das war eine der Botschaften,. die Hermann Gaub seinen Zuhörern über­brachte. Dabei war es gerade der Schritt von der Mechanik Zur. Elektronik. und zur Halbleitertechnologie, der eine ungeheure Miniaturisierung in vielen Bereichen ermöglichte. Diese Technologie ist heute nahe an ihre physikalische Grenze gekommen. Wenn die entscheidenden Strukturen der Halbleiterbauelemente in etwa die Größe der Wellen­länge der Elektronen erreicht

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haben, dann verlieren die Bau­elemente ihre Funktionsfähig­keit.„Dann könnte es die Me­chanik sein, mit der sich neue, kleinere Strukturen realisieren Jassen“; erklärte Hermann Gaub. Die Ideen dazu liefert ­wie so oft- die Natur. Gaub präsentierte seinen Zuhörern die einfachste und vermutlich kleinste Maschine der Welt. Sie hört auf den unanschaulichen Namen ATP-Syntase und bil­det aus Adenosindiphosphat (ADP) und Phosphor Adeno­sintriphosphat(ATP). Dieses trägt zur Energieversorgung bei Pflanzen, Mensch und Tie­ren bei.

Aufgebaut ist die Maschine aus einzelnen Molekülen. Sie be­steht im wesentlichen aus einer Verankerung in der Zellmem­bran und einem„Kopf“, der ähnlich wie eine Turbine aus­sieht und sich drehen kann. Angetrieben wird die Turbine durch einen Protonengradien­ten, der zum Beispiel in Pflan­zen dann aufgebaut wird, wenn Licht in chemische Ener­gie umgewandelt wird und auf diese Weise Protonenüber­schüsse erzeugt werden. Diese chemische Energie treibt die Turbine an. In einer bestimm­ten Stellung der molekularen Turbine ist ihre Form gerade so, dass sich ein ADP-Molekül anlagern kann. Dreht sich die Turbine ein Stück weiter, passt die Bindung nicht mehr genau. Dann ist es günstiger, wenn die Bindung wieder aufgelöst wird und das ADP sich mit ei­nem Phosphoratom verbindet. Aufgrund der mechanischen Drehung der Turbine werden Schritt für Schritt ADP-Mo­leküle und Phosphoratome zu­sammengefügt. Es entsteht ein neues Molekül, das ATP.

Zum Verständnis dieser klein­sten aller Maschinen haben die Methoden der Nanophysik beigetragen. Aufnahmen mit dem Rasterkraftmikroskop konnten erstmals ein direktes Bild der ATP-Syntase zeigen. Das Rasterkraftmikroskop ta­stet‘ mit nur wenige Atome dicken Spitze ein Ob­jekt ab. Aus den dabei wirken­den Kräften kann die Topogra­phie der Oberfläche bestimmt werden. Doch das Mikroskop kann nicht nur winzige Struk­turen, wie die Turbinen der ATP-Syntase, sichtbar machen. Es liefert zum Beispiel auch die Möglichkeit, Abschnitte der DNA, der Trägerin des Erb­gutes, zu berühren, zu zertei­len und zu manipulieren. Mit dem Rasterkraftmikroskop ge­lingt es, Gene an- und auszu­schalten oder Aminosäuren zu greifen, zu entfalten und aus ihrer Verankerung in der Zell­membran zu reißen.

Die Methoden der Nanotech­

einer

nologie liefern damit erstmal die Möglichkeit, einzelne Indi viduen zu untersuchen unc nicht nur Mittelwerte zu mes sen. Die historischen Konzept« der Thermodynamik könneı neu überdacht und überprüf werden. Mit der Erforschung von Funktion und Aufbau deı

Aminosäuren entfalter

und aus ihrer Verankerung reißen

greifen,

Hermann Gaub zeigt’s mit den Projektor-Kabel. Foto: Fritzı

molekularen Maschinen eröff­nen sich neue Wege, an deren Ende auch eine Kombinatior von biologischen Funktions einheiten und nanoskopischeı

Halbleiterstrukturen steheı könnten. Hermann Gaub jedenfalls

empfahl seinen Zuhörern am Ende des 4. Leibniz-Kollegs in Potsdam„Think small“. urs

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