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Ein molekulares Auto, das von den Nobelpreisträgern konstruiert wurde.
Ein molekulares Auto, das von den Nobelpreisträgern konstruiert wurde. (Bild: Nobelpreiskomitee)

Keine Maschine ohne Spielzeug

Das ist nicht schlimm. Es ist das Recht der Forscher und ein notwendiger Teil jeder Forschungsarbeit, genau solche Spielzeuge zu erschaffen. Problematisch ist nur die Erwartung einer nützlichen Maschine. Zur Zeit befindet sich die Forschung an molekularen Maschinen noch auf dem Niveau des Heronsball, der sich dampfbetrieben um sich selbst drehte und vor etwa 2000 Jahren erstmals im ägyptischen Alexandria gebaut wurde. Heute wird dessen Funktionsprinzip als Reaktionsturbine bezeichnet und manchmal auch als erste Dampfmaschine der Welt.

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Manchmal kommt es zu dem versteckten Vorwurf an die Menschen jener Zeit, nicht einfach das Prinzip der Dampfmaschine erkannt und weiterentwickelt zu haben und die industrielle Revolution knapp 2000 Jahre eher stattfinden zu lassen. Aber das übersieht die enormen technischen Probleme, die bis dahin im Umfeld überwunden werden mussten. Von der Metallurgie, die in der Antike noch primitiv war, bis zur präzisen Fertigung von Metall durch Bohrer, Fräsen, Drehmaschinen und andere Werkzeuge, fehlte selbst für eine leidlich effizient funktionierende Dampfmaschine noch jede Grundlage.

Genauso ist es mit den molekularen Maschinen. Die ersten einfachen Mechanismen wurden entwickelt, aber sie können noch kaum mehr, als sich selbst bewegen. In einzelnen Fällen ist schon das viel wert. 2006 konnte eine Forschergruppe mit dem Prinzip des Rotaxan-Moleküls auf einer Achse einen 160 Kilobit großen Speicher bauen. Mit dem kleinen Nachteil, dass die meisten Bits schon nach sechs Schaltvorgängen zerstört waren und keines mehr als zehn überstand. Aber bis zur Konstruktion komplexer Maschinen, die einen definierten Nutzen haben, wird es noch lange Zeit brauchen.

Die Biologie zeigt, was geht

Was eines Tages möglich sein wird, sehen wir in der Biologie. Jede Zelle hat eigene Energiespeicher, die auch wieder aufgefüllt werden können. Sie müssen also nicht jederzeit von außen mit Energie versorgt werden. Sie können autonom auf ihre Umwelt reagieren. Vor allem haben sie aber Mechanismen zur gezielten Konstruktion von großen Molekülen, Proteinen, die wortwörtlich alle möglichen Funktionen innerhalb der Zelle übernehmen. Immerhin ist die Zelle in der Lage, sich selbst und alles in ihr zu replizieren.

Die Baupläne der Proteine werden von der DNA abgelesen, wofür eine Maschine den DNA-Strang aufspaltet und Stück für Stück einen zweiten Strang, diesmal RNA, mit der gewünschten Information konstruiert. Der RNA-Strang gelangt zu einer zweiten Maschine, einem Ribosom, das mit der Information der RNA anfängt, Aminosäuren aneinanderzuketten. Die Struktur der Ribosommaschine und diverse Helfermoleküle sorgen dafür, dass sich diese Kette von Aminosäuren genau in die richtige Form zusammenfaltet, um seine künftige Funktion wahrnehmen zu können.

Es ist fraglos möglich, solche und ähnliche Maschinen auch künstlich herzustellen. Die Methoden dafür müssen aber noch entwickelt werden. Zur Zeit würde es als großer Erfolg gelten, beispielsweise eine molekulare Maschine zu bauen, die allein in der Lage ist, sich entlang eines DNA-Strangs zu bewegen. Vom sauberen Auftrennen und Ablesen des DNA-Strangs - oder irgendeiner gezielten Manipulation irgendeines kettenförmigen Moleküls - ist dabei noch nicht die Rede.

Wie lange die Entwicklung noch dauern wird, ist nicht abzusehen. Fest steht nur, dass bis zum Bau der ersten nützlichen molekularen Maschinen noch viele Nobelpreise vergeben werden müssen.

 Nobelpreis: Die Wissenschaft vom molekularen Spielzeug

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