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Bakterien produzieren Nanoteilchen
23.08.06 – Edda Grabar
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Grafik: FZ Rossendorf
Nicht die Intelligenz, nein die Anpassungsfähigkeit sei der Evolutionsfaktor Nummero eins, postulierte einst der Evolutionsbiologe Ernst Mayr, der von seinen Kollegen zur Gruppe der bedeutendsten und einflussreichsten Naturforscher des 20. Jahrhunderts gezählt wird. Zu diesem Schluss gelangte er angesichts der schier unübersichtlichen Zahl an Mikroorganismen, die diesen Globus bewohnen. Sie sind die Recyclingfabriken der Natur, besiedeln jede Art von Lebensraum; gleich ob Boden, Wasser, Vulkane oder Geisire – oder eben auch Müllhalden.
Dort fanden Wissenschaftler unter der Leitung von Sonja Selenska-Pobell vom Institut für Radiochemie am Forschungszentrum Rossendorf in Dresden Bacillus sphaericus vom Stamm JGA-12, ein „eigentlich völlig gewöhnlicher Vertreter“, sagt Katrin Pollmann, die Molekularbiologin des Teams. Doch dieser Bacillus schützt sich äußerst effektiv vor Schwermetallen wie Uran – und seine Hülle dient den Dresdnern, um aus Edelmetallsalz-Lösungen Nanopartikel herzustellen. Was den Bakterienmantel dazu befähigt, veröffentlichten sie kürzlich im Fachmagazin Journal of Biophysics.
Nano ist das Bindeglied zwischen den Naturwissenschaften. Die Technologie im Kleinstformat ruft Physiker, Chemiker und Biologen gleichermaßen auf den Plan. „Vorteil der winzigen Kügelchen ist ihre vergleichsweise große Oberfläche“, erklärt Harald Fuchs, Direktor des Instituts für Grenzflächenphysik an der Uni Münster und Leiter von Centech, einem Zentrum für Nanotechnologie. In Katalysatoren von Autos und der chemischen Industrie sollen sie sich künftig nützlich machen. Je einfacher die Partikelchen herzustellen sind, je stabiler und einsatzfreudiger sie sind – umso besser.
Bakterien sind ausgesprochen preiswerte Fabrikanten. Vor allem, wenn es sich um einen Vertreter wie den Bacillus sphaericus handelt, der zu jedweder dem Menschen zuträglichen Temperatur gedeiht. Im Forschungszentrum Rossendorf wächst er bei etwa 30 Grad Celsius, weil er sich dabei am wohlsten fühlt. Auch sonst ist denkbar wenig nötig, um aus einer unverträglichen Palladium-Salzlösung die begehrten kleinen Kügelchen herzustellen: Per Zellaufschluss wird dem Bacillus der Garaus gemacht, mit einer Zentrifuge das Protein isoliert und anschließend gereinigt. Dann benötigt es noch die Metallsalzlösung und ein wenig Wasserstoff, der die Reaktion antreibt. Das Ergebnis ist eine Fläche ordentlich in Reih und Glied angeordneter Palladium-Nano-Partikel.
Das Geheimnis der Herstellung liegt in der Hüllenkonstruktion der Bakterien. Denn diese besteht nur aus einem einzigen Eiweiß, „das sich wie ein Gitter miteinander vernetzt und winzige Poren lässt“, so Pollmann. Und zwar nicht nur, solange es sich schützend um den Bacillus legt. Das Protein mit dem unwirtlichen Namen „S-Layer-Protein“ hat eine für die Nanoforscher sehr nützliche Eigenschaft: Es organisiert sich selbst. Auch wenn Bacillus in seine Einzelteile zerlegt wird, finden die S-Layer-Protein wieder zusammen und bilden eine Proteinschicht.
„Das Protein lässt sich relativ einfach gewinnen“, erkärt die Molekularbiologin. Alles andere erledigt es von selbst. Und mehr noch: Die Metallkügelchen und die Zellschicht stabilisieren sich gegenseitig. Mit Hilfe einer von dem Biophysiker Karim Fahmy vom Institut für Strahlenphysik in Rossendorf entwickelten Infrarot-Spektroskopie, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre, untersuchten die Wissenschaftler, was die Bakterienhülle befähigt, Schwermetall wie in einem Netz abzufangen. Ein Infrarotlichtstrahl misst, was an der Proteinschicht passiert, während sie mit der Metallsalzlösung beschichtet wird. „Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass man die Proteine nicht einfrieren oder kristallisieren muss, sondern den Vorgang sozusagen „life“ miterleben kann“, erklärt Pollmann. Enzyme oder andere biologische Moleküle spielen nach diesen Untersuchungen keine Rolle. Ausschlaggebend sei wohl die Ladung in den Kuhlen, spekulieren die Wissenschaftler. Da nämlich werden die Nanopartikel über chemische Bindungen festgehalten. Aus etwa 50 bis 80 Palladium-Atomen bestehen die Kugeln.
Der Nano-Experte Harald Fuchs hält die Ergebnisse der Dresdner gleich aus zwei Gründen für interessant. „Diese S-Layer bildern ohne jegliche Matrizen ausgedehnte periodische Gitter und lassen sich damit vermutlich verhältnismäßig einfach in technische Systeme integrieren“, sagt er. Zum anderen forme sich ein metall-organisches Hybrid-System mit einem biologischen Ursprung. Und für gewöhnlich seien diese in Komplexität und Stabilität chemisch nicht so einfach nachzuahmen.
Die Wissenschaftler aus Dresden denken mittlerweile schon weiter. Inzwischen haben sie nicht nur Palladium, sondern auch Gold und Platinpartikel auf diese Art erzeugt. „Wir haben das Protein und das dazugehörige Gen identifiziert. Das ermöglicht es uns, das Eiweiß für weitere Metalle, aber auch für verschiedene Anwendungen oder Oberflächen zu modifizieren“, sagt Pollmann.
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