Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Cornelia Palivan von der Universität Basel hat einen Nanoroboter entwickelt, der aus zwei wiederverwendbaren Modulen besteht: einem magnetischen Antriebsmodul und einer funktionalen Nutzlastkapsel. Anders als klassische Roboter basiert das System nicht auf Elektronik, sondern unter anderem auf Biomolekülen, Nanopartikeln und Polymervesikeln.
Die Ergebnisse wurden im Fachjournal «Advanced Functional Materials» veröffentlicht. Das modulare Konzept ermöglicht eine Anpassung an unterschiedliche Anwendungen in Medizin, Industrie und Umwelttechnik.
Aufbau: Antrieb und Nutzlastkapsel
Im Aufbau erinnert der Nanoroboter an eine mehrstufige Mondrakete: Das Antriebsmodul steuert die Bewegung mithilfe magnetischer Eigenschaften, während die zweite Einheit als Nutzlastkapsel dient. In dieser Kapsel sind vier Enzym-beladene Polymervesikel enthalten, die als Nanocontainer fungieren, Wirkstoffe oder Enzyme schützen und über Poren den Austausch von Molekülen erlauben.
Je nach Design lassen sich diese Vesikel gezielt öffnen, um eingeschlossene Wirkstoffe oder Reaktionsprodukte freizusetzen. Damit wird die Funktionalität des Nanoroboters über die Nutzlastkapsel programmierbar.
DNA-»Klettverschluss« und zielgerichtetes Andocken
Die Verbindung der beiden Module erfolgt über einen DNA-basierten «Klettverschluss»: Komplementäre DNA-Stränge auf Antriebsmodul und Nutzlastkapsel sorgen dafür, dass sich die Einheiten selbstständig und programmierbar zusammenfügen und stabil gekoppelt bleiben.
Zusätzlich ist die Nutzlastkapsel mit Biomolekülen ausgestattet, die als Andockhilfen dienen. In Versuchen mit einer menschlichen Krebszelllinie (HeLa-Zellen) beobachteten die Forschenden mithilfe fluoreszenzmarkierter Nanoroboter, dass sich diese gezielt auf der Zelloberfläche anreichern.
Lokale Wirkstoffproduktion gegen Krebszellen
Beladen mit geeigneten Enzymen produzierten die Nanoroboter direkt an den Krebszellen einen Wirkstoff gegen Krebs. In den Tests sank die Lebensfähigkeit der HeLa-Zellen innerhalb von 72 Stunden auf 16 Prozent, was auf eine lokal konzentrierte Wirkung des erzeugten Produkts hinweist.
«Das Produkt der Enzymreaktion kann lokal konzentriert wirken, wenn wir es mit unserem Nanoroboter gezielt an den Krebszellen anreichern», erklärte Dr. Voichita Mihali, Erstautorin der Studie.
Wiederverwendbarkeit und mögliche industrielle Anwendungen
Für Anwendungen ausserhalb der Medizin – etwa in der Katalyse – ist die magnetische Steuerung besonders relevant: Nach dem Einsatz lassen sich die Nanoroboter mithilfe des Antriebsmoduls wieder einsammeln. Die Forschenden konnten die Module zudem voneinander trennen, die Nutzlastkapseln neu befüllen und sie anschliessend erneut mit den Antriebsmodulen kombinieren.
Das System gilt daher als wichtiger Schritt hin zu einem vielseitig einsetzbaren Werkzeug, das sich durch eine Anpassung der Nutzlastkapsel auf verschiedene Einsatzfelder übertragen lässt. Der Einsatz am Menschen bleibt ein langfristiges Ziel, während industrielle und umwelttechnische Anwendungen kurzfristiger erreichbar erscheinen.
Forschungsrahmen und Kooperationen
Die Arbeit entstand im Rahmen des NCCR Molecular Systems Engineering und des Swiss Nanoscience Institute. Das Basler Team arbeitete dabei eng mit Forschenden der Universität Heidelberg zusammen.