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Samstag, 27.05.2017
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Biologische Nanomaschinen sind Effizienzkünstler

Reibungskräfte molekularer Motoren gemessen

Die Reibung ist ein Problem bei allen Maschinen und beweglichen Teilen, denn sie bremst und verringert die Effizienz. Aber gilt das auch für Nanomaschinen? Forscher haben erstmalig direkt die Reibungskräfte zwischen molekularen Motoren und deren Schienen – den Stützröhren der Zelle - gemessen. Wie sie jetzt in „Science“ berichten, wirkt die Reibung auch im Minimaßstab. Allerdings deutlich weniger als bei großen Maschinen – die „Minimotoren“ arbeiten effizienter.
Messung mit Hilfe einer Laserpinzette

Messung mit Hilfe einer Laserpinzette

Reibung ist die Kraft, die an der Grenzfläche zwischen zwei Körpern entsteht, wenn sie sich relativ zueinander bewegen. Auch im Nanokosmos ist das so: Wenn sich etwa molekulare Motoren auf dem Schienensystem der Zelle — den röhrenförmigen Mikrotubuli — bewegen, dann haben sie ebenfalls gegen den Widerstand der Reibungskräfte anzukämpfen. Die Reibungskräfte, die auf die mikroskopisch kleinen Motorproteine wirken, sind allerdings bisher noch niemals gemessen worden, und so blieb es unbekannt, wie sich Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit der Motoren darauf auswirken.

Reibung bremst auch Moleküle


Dresdner Forscher am Biotechnologischen Zentrum (BIOTEC) der TU Dresden und dem Max-Planck-Institut für Molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) haben nun erstmals die Reibungskräfte der zellulären Minimotoren exakt gemessen. Dafür brachten sie das Motorprotein Kinesin auf Mikrokugeln auf und zogen diese mit einer Laserpinzette über einen Mikrotubulus. So konnten sie die Reibungskräfte zwischen einzelnen Molekülen und dem Schienentrakt exakt messen.

„So wie eine große Maschine durch Reibung ausgebremst wird, ist das auch bei molekularen Motoren der Fall — ihre Geschwindigkeit und Leistung werden begrenzt durch den Widerstand, der durch die Reibung mit dem Schienensystem entsteht", erklärt Erik Schäffer, Gruppenleiter am BIOTEC.


„Stolpern“ in Millionstel-Millimeter Schritten


Die Wissenschaftler erklären sich das Phänomen auf molekularer Ebene als kleine Haftverbindungen zwischen einzelnen Molekülen — Reibung entsteht durch die Kräfte, die für das Auseinanderreißen dieser Verbindungen nötig sind. Die Motoren stolpern dabei mit Acht-Millionstel-Millimeter-Schritten über ihre Molekülschienen hinweg. "Das ist genau die Länge der Tubulin-Untereinheiten, aus denen sich ein Mikrotubulus aufbaut und an dem so ein Motor entlangläuft — das Motorprotein scheint also mit seinen kleinen Füßchen von Untereinheit zu Untereinheit zu stapfen", so Schäffer.

Minimotoren effizienter als große Maschinen


Die Reibungskräfte, die auf das Kinesin wirken, geben auch Aufschluss über die Effizienz dieses Motorproteins. "Ungefähr die Hälfte der Energie, die Kinesin aus dem Treibstoff ATP der Zelle gewinnt, geht als Reibung zwischen Motor und Untergrund verloren", fasst Howard zusammen. "Was nach den Verlusten im Innern des Motors von der Energie übrig bleibt, wird in mechanische Arbeit umgesetzt — alles in allem meist effizienter als bei großen Maschinen", fügt Schäffer hinzu. Der Energieverlust wird letztendlich in Wärme umgewandelt, die zum Heizen unseres Körpers beiträgt. So werden zum Beispiel unsere Muskeln unter anderem auch durch Reibung warm, wenn sie etwas leisten müssen.
(Max-Planck-Gesellschaft, 18.08.2009 - NPO)
 
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