Bauanleitung für Nanolampen
Mit zwei Verfahren lässt sich die Größe von Nanopartikeln kontrollieren, die als winzige Lichtquellen dienen könnten
Für die kleinsten Lampen der Welt gibt es jetzt gleich zwei neue Bauanleitungen. Nach diesen Plänen haben Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung Nanopartikel maßgeschneidert, die als Positionsleuchten an Zellproteinen, künftig vielleicht aber auch als Lichtquellen für Bildschirme oder für die optische Informationstechnik dienen könnten. In mikroskopisch kleinen Membranbläschen haben die Forscher Cadmiumsulfid-Teilchen hergestellt. Je nachdem, welcher ihrer Anleitungen sie folgen, können diese vier oder 50 Nanometer groß sein. Da die Membranbläschen etwa so groß sind wie lebende Zellen, könnte die Arbeit der Wissenschaftler auch einen Hinweis darauf geben, wie Nanostrukturen in der Natur entstehen.
Chemie in einer Blase: Vesikel mit verschiedenen Ausgangsstoffen tragen in ihrer Membran unterschiedliche Leuchtstoffe (a). Wenn die Bläschen verschmelzen, bilden sich rot leuchtende Nanopartikel (b). Im Transmissionselektronenmikroskop sind die Partikel als helle Punkte zu erkennen (c).
MPI für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Bei Arbeiten in kleinsten Dimensionen sind Zellen und Mikroorganismen große Meister. Wie besonders effiziente Mikrofabriken stellen sie nur wenige Nanometer große Teilchen und Strukturen aus anorganischem Material wie etwa Kalk her. Diese Fähigkeit könnten Zellen zwei verschiedenen Kniffen verdanken: zum einen biochemischen Hilfsmitteln, nämlich Peptiden, die den Kalk in eine gewünschte Form bringen. Zum anderen könnte ihnen dabei helfen, dass sie selbst sehr klein sind. Daher können auch die Kalkpartikel nicht unbegrenzt wachsen - wenn der Zelle das Calciumcarbonat, der Baustoff von Kalk, ausgeht, ist Schluss.
"Dass Zellen quasi ein geschlossenes Reaktionsgefäß bilden, haben wir uns zum Vorbild genommen, um Nanopartikel herzustellen", sagt Rumiana Dimova. Ihre Arbeitsgruppe erforscht am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung Membranen, wie sie auch Zellen umhüllen. Aus Lecithin-Membranen, die biologischen Membranen ähneln, formen die Chemikerin und ihre Mitarbeiter rund 50 Mikrometer große Bläschen. Diese Membranbläschen - die Wissenschaftler sprechen von Vesikeln - bilden ebenso wie Zellen ein geschlossenes Reaktionsgefäß. Die Membranbläschen laden die Wissenschaftler jeweils mit einem von zwei Ausgangsstoffen für die Nanopartikel.
Von hier an folgen die Forscher zwei unterschiedlichen Anleitungen. Im einen Fall stellen sie Bläschen mit beiden Ausgangsstoffen her, einmal mit Natriumsulfid und einmal Cadmiumchlorid. Die Bläschen mit den unterschiedlichen Ladungen bringen die Wissenschaftler anschließend zusammen und vereinigen jeweils zwei Vesikel zu einem größeren Bläschen - indem sie auf den Bläschen-Cocktail einen kurzen, aber sehr starken elektrischen Puls abgeben. Der Elektroschock verschmilzt die Membranen zweier benachbarter Bläschen.
In vielen Fällen vereinigen sich dabei zwei Bläschen mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen. Diese reagieren dann zu Cadmiumsulfid, das sich in Wasser nicht löst und daher in Form von Nanopartikeln ausfällt. "Da die Ausgangsstoffe in den fusionierten Bläschen nur begrenzt vorhanden sind, wachsen die Partikel nur, bis sie vier Nanometer groß sind", erklärt Rumiana Dimova. Den ganzen Prozess konnten die Wissenschaftler im Mikroskop gut verfolgen, weil sie in die Membranen der unterschiedlich beladenen Vesikel verschiedene Leuchtstoffe einbauten. Und auch die Nanopartikel sahen die Forscher heranwachsen, weil die Teilchen wie kleine Lampen leuchten.
In ihrem zweiten Verfahren stellen die Forscher nur Bläschen mit einem der Ausgangsstoffe her. Nachdem sich die Bläschen gebildet haben, nehmen die Forscher sie anders als im ersten Prozedere nicht aus der Reaktionskammer. Stattdessen bleiben die Bläschen über kleine Membrankanäle wie Luftballone an Schnüren mit ihrer Unterlage verbunden und stehen dabei in derselben Lösung, die sie auch in ihrem Inneren enthalten. Das ändern die Forscher um Rumiana Dimova jetzt aber: Sie tauschen die Lösung mit der ersten Zutat für die Nanopartikel gegen eine mit dem zweiten Bestandteil aus. Im Inneren der Bläschen ändert sich dabei aber zunächst nichts. Nur allmählich kriecht die zweite Zutat zwischen Membran und Unterlage in den Kanal zu dem Bläschen. Im Bläschen, wo die andere Zutat schon wartet, wachsen dann wieder die Nanopartikel - diesmal bis zu einer Größe von 50 Nanometern.
"Mit unserer Methode haben wir erstmals in Vesikeln, die der Größe der Zellen entsprechen, Partikel mit einem bestimmten Durchmesser hergestellt", sagt Rumiana Dimova. Auch vorher haben Wissenschaftler schon Nanopartikel in Membranbläschen hergestellt. Die Membranbläschen waren mit einigen Nanometern Durchmesser aber sehr viel kleiner als die Mikrobläschen der Potsdamer Forscher und auch viel kleiner als biologische Zellen. Nicht zuletzt deshalb dachten Biologen, Zellen seien bei der Synthese von Nanopartikeln auf die Hilfe von Peptiden angewiesen. Doch es geht auch ohne, wie Rumiana Dimova und ihre Mitarbeiter festgestellt haben.
Originalveröffentlichung: Peng Yang, Reinhard Lipowsky, and Rumiana Dimova; "Nanoparticle Formation in Giant Vesicles: Synthesis in Biomimetic Compartments"; Small, published online, 8. Juni 2009
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