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Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung ist es gelungen, leuchtende Nanopartikel maßzuschneidern. Laut Max-Planck-Institut beinhalten diese winzigen Teilchen eine Cadmiumsulfidlösung, die rot leuchtet. Gleich zwei neue Methoden machen dies möglich. Diese chemische Verbindung von Cadmium und Schwefel kennt man normalerweise als das gelbe Farbpigment in Malerfarben. Diese Verbindung dient aber auch als Leuchtstoff.

Das Forscherteam um Rumiana Dimova stellte nun am Max-Planck-Institut selbstständig leuchtende Nanopartikel her. Die winzigen Lichtquellen können als Positionsleuchten an Zellproteinen eingesetzt werden oder Lichtquellen für Bildschirme sein. Zur Herstellung dieser leuchtenden Teilchen dienen normalerweise Proteine, sogenannte Peptide, als biochemisches Hilfsmittel. Durch sie werden anorganische Stoffe, beispielsweise Kalk, in eine bestimmte Form gebracht. Problem hierbei ist, dass die normalen Zellen nur sehr klein sind. Somit könnten auch die Kalkpartikel nicht unbegrenzt wachsen – ist der Baustoff für Kalk, das Calciumcarbonat alle, ist Schluss mit der Produktion.

Die Wissenschaftler entwickelten daraufhin zwei Methoden, Nanopartikel von vier und 50 Nanometern (nm) herzustellen, ohne auf die Peptide angewiesen zu sein. „Nano“ ist die griechische Bezeichnung für „Zwerg“. Wobei Zwerg nicht einmal annähernd die Winzigkeit von Nanoteilchen verdeutlicht. Ein Nanometer beispielsweise ist ein milliardenstel Teil eines Meters. Gegen Nanofasern von einer Größe von 100 Nanometern wirkt ein menschliches Haar wie ein riesiger Baumstamm. Die produzierten Leuchtpartikel werden nur halb so groß sein wie die oben genannten Nanofasern.

Wenn man nun wie die Potsdamer Forscher Arbeiten in kleinsten Dimensionen durchführt, sind Zellen und Mikroorganismen von großer Hilfe. Sie funktionieren wie Mikrofabriken. „Dass Zellen quasi ein geschlossenes Reaktionsgefäß bilden, haben wir uns zum Vorbild genommen, um Nanopartikel herzustellen“, sagt Rumiana Dimova. Das Besondere an ihrer Arbeit ist, dass sie gleich zwei neue Bauanleitungen für Nanopartikel anbietet. Grundlage für beide Anleitungen sind 50 Mikrometer große Membranbläschen. Zur Verdeutlichung: Ein Mikrometer entspricht etwa 1000 Nanometern. Diese Bläschen haben eine Lecithin-Hülle, genau wie natürliche Zellen. Wissenschaftler nennen die Membranbläschen Vesikel. Laut Max-Planck-Institut funktionieren diese Vesikel wie lebende Zellen.

Nach der ersten Methode werden zwei Bläschen gefüllt – das eine mit Cadmium, das andere mit Schwefel, die beiden Ausgangsstoffe für das Leuchten. Verbindet man nun diese beiden Bläschen durch einen Elektroschock, reagiert der Inhalt der Vesikel zu Cadmiumsulfit. Kleine leuchtende Nanopartikel entstehen. Durch die Größe der Zelle ist das Wachstum jedoch begrenzt. Die maximale Größe hierbei beträgt vier Nanometer.

Im zweiten Bauplan füllt man die produzierten Membranbläschen mit einem Ausgangsstoff, beispielsweise mit Cadmium. Die Vesikel hängen nun wie kleine Luftballons in ihrer Reaktionskammer. Durch Membrankanäle sind sie mit ihrer Unterlage verbunden. Auf der Unterlage befindet sich der zweite Stoff Schwefel, der allmählich durch die Membran in das Bläschen kriecht. Der Inhalt reagiert wieder und wächst in den Luftballons nun 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 die Chemikerin Rumiana Dimova. Bereits vorher haben Wissenschaftler Nanopartikel produziert. Diese waren jedoch viel kleiner als die Mikrobläschen der Potsdamer Forscher und auch viel kleiner als lebende Zellen. Nicht zuletzt deshalb dachten Biologen, Zellen seien bei der Synthese von Nanopartikeln auf Peptide angewiesen. Doch es geht auch ohne, wie Rumiana Dimova und ihre Mitarbeiter feststellten. Stefanie Amelung

Stefanie Amelung