Von Geckos, Garn und Goldwasser E-Book

Michael Groß

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2013

Seitenzahl: 379

Beschreibung

The lotus effect, which keeps leafs free from dirt, or the gecko, which climbs up glass fronts, are examples of nature being the true expert on nanotechnology. Michael Groß gives an impression of this fascinating world and its applications in medicine, technology and daily life.

Leseprobe

Inhalt

Vorwort

1 Einführung

Grüße aus dem Nanokosmos

2 Die Nanotechnologie der Natur

Der Außenbordmotor der Bakterien

Wie man Gene zum Schweigen bringt

Ein Wasserstoff produzierendes Mitochondrium?

Neues von einem alten Pflanzenhormon

Proteine der Augenlinse im Brennpunkt der Forschung

Titin – was Muskeln geschmeidig macht

Neues von der DNA-Baustelle

Die Sortiermaschine der Zelle

Histone – Garnrollen mit Pfiff

Ablesung der Gene in flagranti erwischt

Ein neuer Geruchssinn

Enzym mit Achillesferse

Zufall hilft in Faltungsfragen

Die Maus, die in die Kälte ging

Bakterien am Schopf gepackt

Schaumstoffverpackungen für Froschlaich

Rund ums rote Blutkörperchen

Leben im Salzstress

Neues aus dem Reich der Viren

Die Geselligkeit der Bakterien

Vom Experimentierkasten der Zelle zum Krebsmedikament

Wie Muskeln ihre Fasern bekommen

Wie Mäuse Gefahr wittern

Schnipseljagd beim Strudelwurm

Detailansichten der zellulären Proteinfabrik

Häcksler bekommt Nebenjob

Rezeptoren für jeden Geschmack

Supermikroskop ermöglicht Beobachtung der

Nervenfunktion

Öl fressende Mikroben

Spinnenseide aus der Sicht der Polymerforschung

Tödliche Niete in der Zellmembran

Unordentliche Proteine

Signalprotein entschlüsselt

Das geheimnisvolle Glashaus der Kieselalgen

Planet der Phagen

Seide aus Beton

3 Neue Technologie im Nanometer-Maßstab

Katalysator als Filmstar

Nervenzellen mit Nanodraht verkabelt

Molekulare Bäume tragen erste Früchte

Antikörper aus dem Gewächshaus

Zellen mit zurückgedrehter Uhr

Nanopartikel für die Zentralheizung?

Möbius-Band mit Kippschalter

Gecko-inspiriertes Klebeband für medizinische Anwendungen

Bewegung in der DNA-Nanotechnologie

Selbstheilendes Gummi

Laserskalpell mit Tiefenwirkung

Spinnenseide durch Mikrofluidik?

Grünes Licht für Zellbiologie

Lichtgetriebener Molekülmotor

Tanz der Moleküle zeigt neues Bild der Zelle

Proteinstrukturen in lebenden Zellen

Was ist eigentlich synthetische Biologie?

ESR-Spektroskopie: Was der Spin verrät

Ist der Kompass der Vögel eine chemische Reaktion?

Eingekapseltes Fett-Tröpfchen

Auf der Suche nach ethisch unbedenklichen Stammzellen

Die Quadratur des Kohlenstoffs

Synthetisches Leben?

Proteinfaltung als Computerspiel

Palladium verknüpft Kohlenstoffatome

Nanopartikel dienen der Rettung von Maya-Kulturschätzen

Nonius-Maßstab zum Aufbau großer Moleküle

Genomsequenzierer: Die dritte Generation

RNA-Gerüst bringt Ordnung in die Zelle

Molekulare Seiltänzer

Drei Optionen für die Ersatzteil-Medizin

Alles auf einem Chip

4 Ausblick

Nano wird normal

Glossar

Bildverzeichnis

Register

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Autor

Dr. Michael Croß

[e-mail]

http://www.michaelgross.co.uk

Umschlaggestaltung Simone Benjamin, McLeese Lake, Canada

Satz Mitterweger & Partner, Plankstadt

Druck und Bindung in Deutschland durch Ebner & Spiegel GmbH, Ulm

Gedruckt auf säurefreiem Papier

1. Auflage 2012

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ePDF ISBN: 978-3-527-65119-1

ePub ISBN: 978-3-527-65118-4

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oBook ISBN: 978-3-527-65116-0

Vorwort

Als mein allererstes Buch, Expeditionen in den Nanokosmos, erschien (1995), war die Reise in die Welt des unsichtbar Kleinen noch eine Expedition, die nur wenigen gut gerüsteten Abenteurern offen stand.

Heute hingegen sind sowohl Strukturbilder aus der biologischen Nanowelt innerhalb der lebenden Zelle als auch praktische Anwendungen von Nanostrukturen von Computern bis zu Sonnencremes schon allgegenwärtig und ihre weitere Erforschung findet vielerorts statt – in Forschungszentren, welche das Wort »Nano« im Namen tragen, aber auch im Normalbetrieb in Universitäten und Industrieunternehmen.

Statt eines Expeditionsberichts steht also dieses Mal eher eine Sammlung von Postkarten von den beeindruckendsten Orten des Nanokosmos an. Diese bieten Highlights aus einem immer noch wachsenden Forschungsgebiet, das längst zu umfassend ist, als dass man es in einem Buch zusammenfassen könnte.

In Anlehnung an den Aufbau der Expeditionen in den Nanokosmos habe ich auch hier in den beiden zentralen Teilen des Buchs die »Nanotechnologie der Natur« den von Menschen geschaffenen oder zumindest manipulierten Systemen im Nanometermaßstab gegenübergestellt. Flankiert wird dieses Paar von einer (hoffentlich) laiengerechten Einführung in die Besonderheiten der Nanowelt und einem abschließenden Ausblick auf die Zukunft der Nanotechnologie und ihrer Anwendung, Z. B. in der Medizin und in Alltagsprodukten.

Einführung und Ausblick sollten allen LeserInnen zugänglich sein. Die beiden Mittelteile hingegen beruhen überwiegend auf Artikeln, die ich in den letzten fünf Jahren für verschiedene Zeitschriften (Spektrum der Wissenschaft, Nachrichten aus der Chemie, Chemie in unserer Zeit) verfasst habe. Sie sind dementsprechend von wechselndem Schwierigkeitsgrad, bauen aber nicht aufeinander auf. Wenn also eines dieser Kapitel Sie zu sehr ins Schwitzen bringt, dürfen Sie es gerne überspringen und das nächste versuchen.

Der Gecko dient uns bei diesen Ausflügen in den Nanokosmos sozusagen als Maskottchen, weil seine bemerkenswerte Fähigkeit, sich an Wänden und Zimmerdecken festzuhalten, auf Nanostrukturen beruht und zu den »Wundern« der Natur gehört, welche die Wissenschaft derzeit nachzuahmen versucht (siehe Gecko-inspiriertes Klebeband für medizinische Zwecke, Seite 190). Gleichzeitig symbolisiert er auch, dass die unsichtbar kleinen Phänomene der Nanowelt verblüffende und nützliche Auswirkungen in der großen Welt haben können, was sich in den verschiedenen hier behandelten Gebieten immer wieder bestätigt.

Oxford, Mai 2012                                                                                           Michael Groß

1

Einführung

Grüße aus dem Nanokosmos

»Nano« ist ein Schlagwort, das sich seit den 1990er Jahren rasant ausgebreitet hat, aber aus manchen Bereichen auch schon wieder verschwindet, weil es ganz selbstverständlich geworden ist, dass die heutige Technologie im Nanometermaßstab agiert. Heutige Computer benutzen routinemäßig Strukturen mit Abmessungen zwischen einem und 100 Nanometern (ein Nanometer, abgekürzt: nm, ist ein Milliardstel Meter, also ein Millionstel Millimeter). Die Halbleiter-Industrie ist durch fortschreitende Miniaturisierung einfach in diesen Bereich hineingerutscht, und dennoch schreibt sie nicht »Nano« auf ihre Produkte.

Fortschritte gibt es auch bei dem Bemühen in der umgekehrten Richtung, Nanostrukturen aus kleineren molekularen Bausteinen aufzubauen. In diesem Bereich können wir immer noch einiges von der Natur lernen, die ja molekulare Nanotechnologie seit einigen Milliarden Jahren erfolgreich betreibt. Im Moment können die von unten nach oben (Bottom-Up) entwickelten Nanotechnologien noch nicht mit den im industriellen Maßstab von oben nach unten (Top-Down) durch fortschreitende Miniaturisierung erzeugten mithalten (wobei die Natur mit ihrer Bottom-Up-Methode immer noch beide übertrifft). Doch das kann sich durchaus ändern, insbesondere, wenn die Miniaturisierung die Grenzen des physikalisch Möglichen erreicht.

Dieses Buch handelt vor allem von der Nanotechnologie der Natur und davon, was wir daraus lernen und in unserer eigenen Technologie zur Anwendung bringen können. Als Einführung folgt deshalb ein kurzer Überblick über die wichtigen Elemente und Konzepte, die es der Natur ermöglichen, im Nanokosmos zu operieren.

Die Moleküle des Lebens

Jede lebende Zelle verwendet Motoren, Datenspeicher und chemische Fabriken im Nanometermaßstab, und sie baut sie alle mithilfe ihres Molekülbaukastens. Die Nanotechnologie der Natur verwendet Kettenmoleküle, die aus einer geringen Zahl kleiner, standardisierter Bausteine nach Maß zusammengesetzt werden können. Die gesamte Datenverarbeitung der Erbinformation kommt mit dem Vier-Buchstaben-System aus, und die meisten Funktionen der lebenden Zelle werden von Proteinen ausgeführt, die ausschließlich oder hauptsächlich aus einem Satz von 20 Aminosäuren aufgebaut sind. Wir wollen diese »natürlichen Nanomaschinen« nun näher betrachten und sehen, inwieweit sie bei der Entwicklung neuer Technologien als Vorbild dienen oder zumindest Anregungen und Ideen liefern können.

Atome, die »Unteilbaren«, werden allgemein als die Grundbausteine der Materie betrachtet. Zwar kann man sie unter extremen Bedingungen – etwa in einem Kernreaktor oder Teilchenbeschleuniger – zerlegen oder miteinander verschmelzen, doch im Hausgebrauch sind sie tatsächlich unteilbar. (Allenfalls kann man ihnen in einer chemischen Reaktion einige ihrer Elektronen entreißen, doch dadurch ändert sich ihre Masse nicht nennenswert.) Die physikalischen Eigenschaften der Atome bestimmen, ob und wie sie sich zu Molekülen zusammenschließen können. Bildung, Eigenschaften und Umwandlung von Molekülen zu beschreiben ist Aufgabe der Chemie.