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TU Berlin

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Forschung

Wunderwerke aus der Mikrowelt

Montag, 25. Januar 2010

Die Natur liefert den Bauplan für winzige Roboter, die im menschlichen Körper arbeiten könnten

Bakterien bewegen sich mit Hilfe von Geißeln fort. Die Methode könnte Vorbild für medizinische Nanoroboter in der Blutbahn sein (Animation)
Lupe

"Die Natur hat ein paar Millionen Jahre Erfahrung. Es ist eine gute Idee, diese zu nutzen", sagt Holger Stark, Professor für Theoretische Physik. Er beschäftigt sich mit einem Bereich in der Natur, vor dem es anderen Menschen oft graut: mit Darmbakterien und Salmonellen. Doch nach ihrem Vorbild könnten winzige Maschinen gebaut werden, die auch im menschlichen Körper arbeiten können. Holger Stark untersucht, wie sich diese mikroskopisch kleinen Lebewesen in ihrem wässrigen Milieu fortbewegen. "Ein Bakterium mit seinen spiralförmigen Fäden, die durch wenige Nanometer kleine Rotationsmotoren angetrieben werden, ist ein Wunderwerk der Natur. Seine Fortbewegungsmechanismen zu verstehen hilft beim Bau mikroskopisch kleiner Roboter, die man unter anderem auf eine Reise durch die Blutgefäße eines Körpers schicken könnte", malt er seine Zukunftsvisionen aus. "Diese Mikromaschinen könnten gezielt Reparaturarbeiten in den Zellen und Gefäßen vornehmen oder Medikamente genau dorthin transportieren, wo sie gebraucht werden. Auch für die Hygiene im Krankenhaus, zum Beispiel um das Risiko der gefürchteten Infektionen durch Katheter und Prothesen zu reduzieren, können diese Erkenntnisse wertvoll sein", ergänzt Reinhard Vogel, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Projekt.

Über die Fortbewegungsmechanismen dieser mikroskopisch kleinen Schwimmer wissen die Forscher bereits, dass sich in der Zellwand ihrer Zellkörper die Rotationsmotoren befinden, die jeweils spiralförmige Filamente oder Geißeln antreiben. "Diese vereinigen sich zu einem rotierenden Bündel und erzeugen damit den Vortrieb", erklärt Vogel. "Die Steuerung ist simpel: Der eine oder andere Faden schert aus dem Bündel aus, wenn sich die Drehrichtung seines Motors umdreht. Dadurch bringt es das ganze Bakterium ins Schlingern und provoziert schließlich eine Richtungsänderung."

In einem neuen Forschungsprojekt, das von der Volkswagenstiftung mit rund 500 000 Euro gefördert wird, untersuchen die Wissenschaftler mit Kollegen aus dem Forschungszentrum Jülich nicht nur die Physik dieser Mechanismen, sondern sie wollen ein elastisches Modell von einer solchen Bakteriengeißel und deren Vortrieb durch den Rotationsmotor konstruieren. Mit computergestützten Simulationen, die auch die zähe wässrige Umgebung berücksichtigen, wird dabei zum Beispiel der Einfluss der Drehgeschwindigkeit und der Steifigkeit der Bakteriengeißel auf das Fortkommen der Bakterien untersucht. Diese Einflüsse haben in der Natur eine immense Bedeutung. "Unsere Erkenntnisse und weitere Arbeiten sind auch für das sogenannte ,Lab-on-a-chip‘ wichtig, ein Chemielabor, das auf einem einzigen Mikrochip Platz findet", erklärt Holger Stark. In dem "Chiplabor" müssen kleinste Mengen von Flüssigkeiten transportiert und vermischt werden, um etwa eine DNS-Analyse durchzuführen. Die Lösungen der Natur werden so zum Vorbild für die Hochtechnologie.

Patricia Pätzold / Quelle: "TU intern", 1/2010

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