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 Neues Verfahren zur Inprozesskontrolle in der Warmumformung
18.08.2017 | Fachhochschule Südwestfalen

nachricht Forschungsprojekt zu optimierten Oberflächen von Metallpulver-Spritzguss-Werkzeugen
17.08.2017 | Hochschule Pforzheim

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Wissenschaftliche Grundlagen für eine erfolgreiche Klimapolitik

21.08.2017 | Veranstaltungen

DGI-Forum in Wittenberg: Fake News und Stimmungsmache im Netz

21.08.2017 | Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit

21.08.2017 | Physik Astronomie

Ein neuer Indikator für marine Ökosystem-Veränderungen - der Dia/Dino-Index

21.08.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Kieler Wissenschaft entwickelt exzellentes Forschungsdatenmanagement

21.08.2017 | Informationstechnologie