Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Besser biegen mit Scharnier: Biomotoren und Nanotechnologie optimieren

24.10.2007
Manche großen Biomoleküle sind richtige Schwerarbeiter. Molekulare Motoren etwa transportieren große Lasten innerhalb der Zelle entlang von Filamenten, den zellulären "Autobahnen".

Wie bei Automotoren auch, muss dabei die aus dem Treibstoff gewonnene Energie schnell und effizient in mechanische Bewegung umgesetzt werden. Biologische Maschinen verwenden dazu molekulare Scharniere und Hebelarme. Professor Erwin Frey von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und Professor Ulrich Gerland von der Universität zu Köln konnten jetzt mit Hilfe ihrer Mitarbeiter Richard Neher und Wolfram Möbius anhand eines theoretischen Modells zeigen, dass die Biegsamkeit der Hebelarme ein entscheidender Faktor für die Funktionsweise molekularer Motoren ist.

Wie die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Physical Review Letters" berichten, lässt sich die Steifigkeit der Hebelarme so optimieren, dass Biomotoren schnell und gleichzeitig robust arbeiten, also sowohl kleine wie große Lasten mit gleicher Effizienz transportieren können. Die für diese theoretische Berechnung neu entwickelte analytische Methode kann nun allgemein für ähnliche biologische Fragestellungen genutzt werden - oder für Entwicklungen in der Nanobiotechnologie.

Viele biologische Funktionen hängen davon ab, dass Makromoleküle Übergangsformen ihrer räumlichen Anordnung einnehmen können. Der Transport zellulärer Lasten durch molekulare Motoren ist nur ein Beispiel dafür. Auch das Erbmolekül DNA muss etwas Flexibilität zeigen, etwa wenn bestimmte Proteine an die langgestreckte Doppelhelix binden wollen oder wenn diese von anderen Proteinen befreit wird, um besser zugänglich zu sein. Bei diesen und entsprechenden Prozessen muss ein langes Segment in dem betreffenden Molekül oder Komplex während der Übergangsphase gedreht werden. Dazu muss das Segment aber in gewissem Umfang biegsam sein. Eine entscheidende Größe bei diesen Prozessen ist die Reaktionsrate, bei molekularen Motoren ist das etwa die "Schwenkgeschwindigkeit" des Arms, die in diesem Fall für die Laufgeschwindigkeit des Moleküls entlang des Filaments entscheidend ist. "Wir konnten zeigen, dass die Reaktionsrate besonders hoch ist, wenn der Arm ein Scharnier hat", so Gerland. "Dieser physikalische Effekt kann von der Natur oder der Nanoforschung genutzt werden. Tatsächlich wurden entsprechende Scharniere - so etwa wie Ellbogen in den molekularen Armen - bereits nachgewiesen."

... mehr zu:
»Biomotore »Molekül »Physik »Prozess »Scharnier

Daneben zeigt die Arbeit auch, dass die Reaktionsrate optimal ist, wenn diese Scharniere weder ganz steif sind, noch eine völlig freie Rotation erlauben. Sie müssen vielmehr eine "mittlere" Steifigkeit haben. Denn dann ist die Reaktionsrate auch besonders robust, sie hängt also fast nicht von der Größe der Last ab, die der molekulare Motor transportiert. "Der Aspekt der Robustheit hat bei molekularbiologischen Systemen sogar eine besondere Bedeutung", so Frey. "Denn in der stürmischen molekularen Welt gibt es viele Möglichkeiten für Störungen und Fluktuationen.

Trotzdem aber muss die Funktion der Systeme sichergestellt sein." Diese Fragen haben die Forscher mit Hilfe eines stark vereinfachten Modells untersucht. Erstmals konnte damit quantitativ beschrieben werden, wie ein physikalischer Prozess, nämlich die Biegesteifigkeit in einem langgestreckten Makromolekül, direkten Einfluss auf die Reaktionsrate eines biochemischen Vorgangs, also die Änderung der räumlichen Anordung des Moleküls, haben kann. Die für ein genaues Verständnis des Modells neu entwickelten theoretischen Konzepte können nun allgemein auf Reaktionsprobleme ähnlicher Art angewendet werden kann.

Erwin Frey gehört dem Exzellenzcluster "Nanosystems Initiative Munich (NIM)" an, in dessen Rahmen dieses Projekt gefördert wurde. Die Arbeiten wurden an der LMU durchgeführt.

Publikation:
"Optimal flexibility for conformational transitions in macromolecules",
Richard A. Neher, Wolfram Möbius, Erwin Frey and Ulrich Gerland,
Physical Review Letters, 22. Oktober 2007
Ansprechpartner:
Professor Dr. Erwin Frey
Department für Physik der LMU
Arnold-Sommerfeld-Center für Theoretische Physik der LMU
Tel.: 089 / 2180-4537 und -4538
E-Mail: frey@lmu.de
Professor Dr. Ulrich Gerland
Institut für Theoretische Physik der Universität zu Köln
Tel.: 221 / 470-4309
Fax: 221 / 470-2189
E-Mail: ulrich.gerland@uni-koeln.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de/

Weitere Berichte zu: Biomotore Molekül Physik Prozess Scharnier

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt
22.05.2018 | Technische Universität München

nachricht Designerzellen: Künstliches Enzym kann Genschalter betätigen
22.05.2018 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

Wie verleiht man Zellen neue Eigenschaften ohne ihren Stoffwechsel zu behindern? Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München veränderte Säugetierzellen so, dass sie künstliche Kompartimente bildeten, in denen räumlich abgesondert Reaktionen ablaufen konnten. Diese machten die Zellen tief im Gewebe sichtbar und mittels magnetischer Felder manipulierbar.

Prof. Gil Westmeyer, Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM und Leiter einer Forschungsgruppe am Helmholtz Zentrum München, und sein Team haben dies...

Im Focus: LZH showcases laser material processing of tomorrow at the LASYS 2018

At the LASYS 2018, from June 5th to 7th, the Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) will be showcasing processes for the laser material processing of tomorrow in hall 4 at stand 4E75. With blown bomb shells the LZH will present first results of a research project on civil security.

At this year's LASYS, the LZH will exhibit light-based processes such as cutting, welding, ablation and structuring as well as additive manufacturing for...

Im Focus: Kosmische Ravioli und Spätzle

Die inneren Monde des Saturns sehen aus wie riesige Ravioli und Spätzle. Das enthüllten Bilder der Raumsonde Cassini. Nun konnten Forscher der Universität Bern erstmals zeigen, wie diese Monde entstanden sind. Die eigenartigen Formen sind eine natürliche Folge von Zusammenstössen zwischen kleinen Monden ähnlicher Grösse, wie Computersimulationen demonstrieren.

Als Martin Rubin, Astrophysiker an der Universität Bern, die Bilder der Saturnmonde Pan und Atlas im Internet sah, war er verblüfft. Die Nahaufnahmen der...

Im Focus: Self-illuminating pixels for a new display generation

There are videos on the internet that can make one marvel at technology. For example, a smartphone is casually bent around the arm or a thin-film display is rolled in all directions and with almost every diameter. From the user's point of view, this looks fantastic. From a professional point of view, however, the question arises: Is that already possible?

At Display Week 2018, scientists from the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP will be demonstrating today’s technological possibilities and...

Im Focus: Raumschrott im Fokus

Das Astronomische Institut der Universität Bern (AIUB) hat sein Observatorium in Zimmerwald um zwei zusätzliche Kuppelbauten erweitert sowie eine Kuppel erneuert. Damit stehen nun sechs vollautomatisierte Teleskope zur Himmelsüberwachung zur Verfügung – insbesondere zur Detektion und Katalogisierung von Raumschrott. Unter dem Namen «Swiss Optical Ground Station and Geodynamics Observatory» erhält die Forschungsstation damit eine noch grössere internationale Bedeutung.

Am Nachmittag des 10. Februars 2009 stiess über Sibirien in einer Höhe von rund 800 Kilometern der aktive Telefoniesatellit Iridium 33 mit dem ausgedienten...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

22. Business Forum Qualität: Vom Smart Device bis zum Digital Twin

22.05.2018 | Veranstaltungen

48V im Fokus!

21.05.2018 | Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vielseitige Nanokugeln: Forscher bauen künstliche Zellkompartimente als molekulare Werkstatt

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Mikroskopie der Zukunft

22.05.2018 | Medizintechnik

Designerzellen: Künstliches Enzym kann Genschalter betätigen

22.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics