Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Nanofeine Spitze schreibt künstliche Zellmembranen

10.10.2013
Ein neues Verfahren, um künstliche Membranen herzustellen, haben Forscher um Dr. Michael Hirtz vom KIT entwickelt:

Mit einer nanometerfeinen Spitze schreiben sie maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke auf ein Substrat aus Graphen.


Mithilfe der Lipid Dip-Pen Nanolithography (L-DPN) werden Lipid-Membranen direkt auf den zweidimensionalen Kohlenstoff Graphen aufgebracht.
(Grafik: Hirtz/Nature Communications)

Die so gefertigten biomimetischen, also biologische Strukturen nachahmenden, Membranen ermöglichen, Funktionen von Zellmembranen gezielt zu untersuchen und neue Anwendungen in Medizin und Biotechnologie zu entwickeln, beispielsweise Biosensoren.

In der Online-Publikation „Nature Communications“ stellen die Forscher das Verfahren vor.

Lipide (von gr. lipos, „Fett“) sind zentrale Strukturbausteine von Zellmembranen. Der Körper des Menschen enthält rund 100 Billionen Zellen. Jede von ihnen ist von einer Membran umhüllt, die im Wesentlichen aus einer Doppellage von teils wasserliebenden, teils wasserabstoßenden phosphorhaltigen Lipiden besteht.

Diese Zellmembranen beinhalten zahlreiche Proteine, Ionenkanäle und andere Biomoleküle, die jeweils lebenswichtige Aufgaben erfüllen. Daher ist die Erforschung der Zellmembranen essenziell für viele Bereiche der Medizin und der Biotechnologie. Ein besseres Verständnis ihrer Funktionen ermöglicht neue Anwendungen beispielsweise in Sensoren mit biologischen Komponenten, beim Einsatz von Enzymen als Katalysatoren oder zum gezielten Einbringen von Arzneimittelwirkstoffen. Allerdings ist es äußerst schwierig, die Membranen direkt an Zellen im menschlichen Körper zu untersuchen.

Forscher verwenden daher häufig Modellmembranen, die auf spezielle Oberflächen aufgebracht werden. Diese biomimetischen, das heißt biologische Strukturen nachahmenden Systeme ermöglichen einen einfachen und besser kontrollierbaren Zugriff. Eine internationale Gruppe von Forschern um Dr. Michael Hirtz, Projektleiter in der Abteilung von Professor Harald Fuchs am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT, sowie Dr. Aravind Vijayaraghavan von der Universität Manchester, Großbritannien, stellen nun ein neues Verfahren zur Herstellung von biomimetischen Membranen vor: Sie schreiben maßgeschneiderte Phospholipid-Membranstücke mithilfe der bereits früher am KIT entwickelten Lipid Dip-Pen Nanolithography (L-DPN) auf ein Substrat aus Graphen.

„Die L-DPN Technik benutzt eine feine Spitze, um Lipidmembranen auf Oberflächen zu schreiben – ähnlich einem Federkiel, der Tinte auf Papier bringt“, erklärt Dr. Michael Hirtz vom INT des KIT. Allerdings misst die Spitze nur wenige Nanometer und wird mit hoher Präzision maschinell kontrolliert. Dies erlaubt es, winzig kleine Strukturen zu erzeugen – kleiner als Zellen und hinunter bis auf die Nanoskala (ein Nanometer entspricht 10-9 Metern). Durch den Einsatz von parallel angeordneten Spitzen lassen sich verschiedene Lipid-Mischungen gleichzeitig schreiben, was Strukturen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung in einer Größe ermöglicht, die geringer als die einer einzelnen Zelle ist.

Das als Substrat eingesetzte Graphen ist ein Halbmetall mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften. Wie Dr. Aravin Vijayaraghavan von der Universität Manchester erklärt, verteilen sich die aufgebrachten Lipide auf dem Graphen ganz gleichmäßig, wodurch sich ausgezeichnete Membranen ergeben. Weitere Vorteile von Graphen sind seine einstellbare Leitfähigkeit und seine Eigenschaft, die Fluoreszenz markierter Phospholipide zu unterdrücken. Wenn die Lipide entsprechende Bindungsstellen aufweisen, beispielsweise Biotin, binden die Membranen Streptavidin, ein von bestimmten Bakterien produziertes Protein, das in verschiedenen biotechnologischen Verfahren eingesetzt wird. Sind die Lipide elektrisch geladen, findet ein Ladungstransfer von den Lipiden zum Graphen statt. Dadurch ändert sich dessen Leitfähigkeit. Diese Änderung der Leitfähigkeit lässt sich in Biosensoren als Signal der Detektion nutzen.

Die Forscher um Hirtz werden ihre biomimetischen Membranen künftig dazu nutzen, auf Graphen und Lipiden basierte neuartige Biosensoren zu bauen. Geplant sind Sensoren, die über die Änderung der Leitfähigkeit auf die Anbindung von Proteinen reagieren, sowie Sensoren, welche die Funktion von Ionenkanälen in den Membranen detektieren. Bei Ionenkanälen handelt es sich um porenbildende Proteine, die elektrisch geladenen Teilchen das Durchqueren der Membran ermöglichen. „Proteinsensoren könnten in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Die Funktion von Ionenkanälen zu überwachen, ist wichtig für die Arzneimittelforschung“, berichtet der KIT-Wissenschaftler.

M. Hirtz, A. Oikonomou, T. Georgiou, H. Fuchs & A. Vijayaraghavan: Multiplexed biomimetic lipid membranes on graphene by dip-pen nanolithography. Nature Communications, 10. Oct 2013 | DOI: 10.1038/ncomms3591.

Weiterer Kontakt:
Margarete Lehné, Pressereferentin, Tel.: +49 721 608-48121, Fax: +49 721 608-43658, E-Mail: margarete.lehne@kit.edu

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts nach den Gesetzen des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Thematische Schwerpunkte der Forschung sind Energie, natürliche und gebaute Umwelt sowie Gesellschaft und Technik, von fundamentalen Fragen bis zur Anwendung. Mit rund 9000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern, darunter knapp 6000 in Wissenschaft und Lehre, sowie 24 000 Studierenden ist das KIT eine der größten Forschungs- und Lehreinrichtungen Europas. Das KIT verfolgt seine Aufgaben im Wissensdreieck Forschung – Lehre – Innovation.

Monika Landgraf | KIT-Presse
Weitere Informationen:
http://www.kit.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Kleben ohne Klebstoff - Schnelles stoffschlüssiges Fügen von Metall und Thermoplast
22.02.2018 | Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

nachricht Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke
15.12.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

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

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

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