Immobilisierte Enzym-Moleküle können Nervengifte in harmlose Produkte abbauen und gleichzeitig eine Flüssigkeit mit enthaltenem Gegengift pumpen. (Bild: Ayusman Sen)
Manchmal braucht es ein wenig Finesse anstatt einer Riesenpumpe. Für „Nanobots“ zu diesem Zweck, die sich zwar irgendwie nach Science Fiction anhören, muss man sich offenbar gar nicht so weit umschauen. Wissenschaftler um Dr. Ayusman Sen von der Pennsylvania State University haben natürlich vorkommende Enzyme in Nanopumpen verwandelt. „Wir haben uns angeschaut, wie sich chemische Energie in Bewegung umwandeln lässt,“ erklärt Sen. „Wir nehmen die Energie, die bei katalytischen Reaktionen freigesetzt wird, um die Enzyme in Bewegung zu versetzen.“
Dass Enzyme so hochspezialisierte Katalysatoren sind, dass sie geradezu molekularen Maschinen ähneln, ist schon lange bekannt und vielfach genutzt. Noch nicht so alt ist dagegen die Erkenntnis, dass sich Enzyme beim Umwandeln ihrer Substrate zum Produkt auch bewegen können – manche sogar gezielt in Richtung einer größeren Substrat-Konzentration, wie Sen und seine Arbeitsgruppe herausfanden. Wie die katalytischen Biomoleküle dies genau anstellen, ist noch unklar. Vermutlich hängt es jedoch mit einer geänderten Form des Moleküls während der Reaktion zusammen.
Einige Mikroliter pro Sekunde
Dieses „Schwimmen“ der Enzyme haben die Wissenschaftler umgekehrt: „Wenn wir die Enzyme auf einer Oberfläche verankern, so dass sie sich nicht bewegen können, und ihnen ihren Reaktanden vorsetzen, pumpen sie die umgebende Flüssigkeit“, erklärt Sen. Damit funktionieren sie als winzige Flüssigkeitspumpen, die immerhin einen Volumenstrom von einigen Mikrolitern pro Sekunde bewerkstelligen.
Diese Pumpen seien für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, meint das Forscherteam. In einer Beispielanwendung nutzten die Wissenschaftler ein Enzym namens Organophosphorsäure-Anhydrolase. Dieses hat die Fähigkeit, Organophosphate zu neutralisieren, eine gefährliche Klasse von Nervengiften, die auch als Chemiewaffen dienen können. Die Wissenschaftler immobilisierten dieses Enzym in einem Gel, welches außerdem ein Gegengift enthielt. Trafen nun giftige Organophosphate auf das Gel, wurden die Enzymmoleküle aktiv: „Das Enzym pumpt das Organophosphat aktiv hinein und zerstört es, und pumpt gleichzeitig ein Gegengift nach außen. Das System benötigt keine externe Energiequelle, da es durch die chemische Energie der Reaktion angetrieben wird.
Anwendungen wie diese können sich die Wissenschaftler etwa eingearbeitet in die Kleidung von Ersthelfern und Soldaten vorstellen, als zusätzliche Schutzmaßnahme bei Terroranschlägen oder Chemieunfällen. Das Team erkundet auch die Möglichkeiten einer molekularen Insulinpumpe für Diabetes-Patienten sowie weitere enzympumpen-basierte Verabreichungsmechanismen für Medikamente. „Wenn man Pumpen bauen will, die sehr kleine Mengen Flüssigkeit auf sehr präzise Art pumpen, ist dies eine Möglichkeit dazu“, sagt Sen.[ak]
