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Wie erzeugen Nanomaschinen Kraft?

Auf der Suche nach dem Prinzip

Frank Jülicher (Mitte) © MPG / MPI für Physik komplexer Systeme / Gneisse

Klar ist heute, dass Auslöser für derartige Bewegungen das Zusammenwirken vieler molekularer Motoren ist – etwa beim Zusammenziehen eines Muskels. Frank Jülicher, Direktor am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden, erforscht gemeinsam mit den Experimentatoren um Jonathon Howard, wie sich aus den winzigen molekularen Umsetzungen am Ende spürbare, makroskopische Bewegungen ergeben.

Der 39-jährige Physikprofessor ist Theoretiker, und deshalb interessiert er sich in erster Linie für die übergeordneten Prinzipien, die hinter den Phänomenen stecken. Das gilt auch für die Krafterzeugung der Nanomaschinen: „Die Kraft entsteht nicht im Motor allein, sondern immer aus einer subtilen Wechselwirkung zwischen Motor und Filament, das wie eine Art Gleis wirkt.

Der Motor allein kann keine Kraft erzeugen. Auch die Richtung der Kraft wird vom Filament bestimmt, nicht vom Motor.“ So wandern die meisten Motoren auf ihrer Unterlage normalerweise immer in dieselbe Richtung. Und gerade diese Eigenschaft hat Jülicher und seinen Mitarbeitern zu einer grandiosen Entdeckung verholfen, die grundlegende Erklärungsmuster für viele biologische Phänomene liefert.

Die Wissenschaftler sagten voraus, dass es beim Zusammenwirken vieler gleichartiger Motoren unter bestimmten Bedingungen zu so genannten dynamischen Instabilitäten kommen sollte, die das Verhalten des Ensembles von einem Augenblick auf den anderen radikal umkehren, ohne dass sich die Eigenschaften der Motoren selbst ändern. Etwas Ähnliches passiert beispielsweise bei physikalischen Phasenübergängen; auch dort kommt kollektives Verhalten zum Tragen.

„Flüssiges Wasser wird plötzlich zu Eis“, erläutert Frank Jülicher die Parallelen, „aber wenn ich mir das auf der Ebene der einzelnen Wassermoleküle anschaue, sehe ich kaum einen Unterschied. Die Wechselwirkung mit den Nachbarn ändert sich nur wenig, aber das gesamte System ändert seine Eigenschaften total.“

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Der Beweis, dass die theoretische Vorhersage stimmte, gelang im Experiment: Man brachte Aktinfilamente auf eine geriffelte Unterlage, auf der Myosinmotoren befestigt waren. Wie ein Laufband können diese die Filamente vorwärts schieben. Nun beeinflusste man die Anordnung durch elektrische Felder. Normalerweise können die Motoren die Filamente nur entlang der Rillen bewegen. Unter bestimmten Bedingungen aber kehrte sich ihre kollektive Bewegungsrichtung spontan um. „Es handelt sich um ein nichtlineares Phänomen“, so Jülicher, „ein Motor bewegt sich gerade noch vorwärts – und gleich darauf bewegt er sich rückwärts. Dazwischen ist ein Sprung.“

Derartiges kollektives Verhalten entsteht, weil sich an diesem Punkt sowohl die Geschwindigkeit als auch die Bindungswahrscheinlichkeit der einzelnen Motoren plötzlich ändern. So kommt es zu einer Art Lawine, bei der die Motoren sich gegenseitig in ihrem Verhalten mitreißen. Wenn ausreichend viele von ihnen zusammenarbeiten, entstehen auf diese Weise Oszillationen, also ein regelmäßiger Wechsel zwischen den beiden Zuständen. So schlägt auch eine Fliege mit ihren Flügeln – die Auf- und Abbewegung ist aller Wahrscheinlichkeit nach eine solche oszillierende Instabilität.

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Stand: 23.10.2004

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

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