Wie eine Mondrakete «en miniature»: Forschende entwickeln modularen Nanoroboter

Nanoroboter klingen nach Science-Fiction: winzige Maschinen für Medizin, Umwelt oder Industrie. Tatsächlich ist die Forschung rund um Nanoroboter rasant gewachsen. Sie gelten als vielversprechender Ansatz, etwa um Wirkstoffe gezielt an bestimmte Orte im Körper zu bringen. Anders als gewöhnliche Roboter bestehen sie nicht aus Elektronik, Computerchips und Software, sondern aus Biomolekülen und Nanopartikeln.

Forschende um Prof. Dr. Cornelia Palivan von der Universität Basel berichten nun von einem ausgeklügelten Nanoroboter, der flexibler einsetzbar ist als viele andere Entwicklungen in diesem Bereich. «Bisherige Nanoroboter sind oft für nur eine bestimmte Aufgabe konzipiert», sagt Cornelia Palivan. «Unser modulares System lässt sich dagegen an verschiedene Anwendungen anpassen.» Einsätze wären neben der Medizin auch in Industrie und Umwelttechnik denkbar.

Antrieb und Nutzlastkapsel

Der Nanoroboter, den das Team im Fachjournal «Advanced Functional Materials» vorstellt, erinnert im Aufbau an eine Mondrakete mit mehreren Modulen. Ein magnetisches Antriebsmodul bewegt den Nanoroboter, während ein zweites Modul als Nutzlastkapsel dient und Wirkstoffe oder Enzyme geschützt zum Einsatzort transportiert.

Verbunden sind die beiden Module durch einen DNA-basierten «Klettverschluss»: Zueinander passende DNA-Stränge auf beiden Modulen sorgen dafür, dass sich Antriebsmodul und Nutzlastkapsel selbstständig und auf programmierbare Art und Weise zusammenfügen und stabil gekoppelt bleiben.

Damit der Nanoroboter an bestimmte Zellen oder Materialien andocken kann, ist die Nutzlastkapsel ausserdem mit weiteren Biomolekülen als Andockhilfen ausgestattet. Im Labor testeten die Forschenden dies anhand einer menschlichen Krebszelllinie, sogenannten HeLa-Zellen. Das Team markierte die Nanoroboter mit fluoreszierenden Molekülen und beobachtete unter dem Mikroskop, dass die Roboter sich auf den Zelloberflächen ansammelten.

Konzentrierter Angriff auf Krebszellen und andere Anwendungen

Beladen mit den dafür nötigen Enzymen produzierten die Nanoroboter einen Wirkstoff gegen Krebs und reduzierten damit die Lebensfähigkeit der HeLa-Zellen innerhalb von 72 Stunden auf 16 Prozent. «Das Produkt der Enzymreaktion kann lokal konzentriert wirken, wenn wir es mit unserem Nanoroboter gezielt an den Krebszellen anreichern», erklärt Dr. Voichita Mihali, Erstautorin der Studie.

Für Anwendungen ausserhalb des medizinischen Bereichs wie etwa Katalyse könnte sich eine weitere Eigenschaft der Nanoroboter als besonders nützlich erweisen: Da das Antriebsmodul magnetisch ist, lassen sich die Nanoroboter nach ihrem Einsatz wieder einsammeln und wiederverwenden. Die Forschenden konnten die beiden Module ausserdem wieder voneinander trennen, die Nutzlastkapseln neu befüllen und sie erneut mit den Antriebsmodulen kombinieren. 

Das modulare System stellt einen wichtigen Schritt hin zu einem vielseitig einsetzbaren Werkzeug für verschiedene Anwendungen dar. Auch wenn der Einsatz am Menschen nach wie vor ein langfristiges Ziel ist, lässt sich das System durch eine einfache Anpassung der Nutzlastkapsel problemlos auf andere Anwendungsbereiche übertragen.

Die Arbeit wurde im Rahmen des NCCR Molecular Systems Engineering und des Swiss Nanoscience Institute durchgeführt. Das Basler Team arbeitete mit Forschenden der Universität Heidelberg zusammen.