Teilprojekt C.5
Makromolekularer Transport durch nanoskalige Poren
Nanoporen sind Lupen in die Welt der einzelnen Biomoleküle
Seit beinahe 20 Jahren werden Experimente mit künstlichen oder biologischen Nanoporen durchgeführt. In diesen Experimenten sind zwei Wasserreservoirs lediglich durch eine winzige Pore in einer Membran miteinander verbunden. Legt man nun eine Spannung zwischen beiden Reservoirs an, so beobachtet man einen elektrischen Strom zwischen beiden Reservoirs, der auf dem Transport von Salzionen durch die Pore basiert. Fügt man auf einer Seite Biomoleküle, z.B. DNS hinzu, werden diese wegen der Spannung durch die Pore auf die andere Seite gezogen. Nanoporen sind so klein, dass jeweils nur ein Biomolekül hindurch passt. Lange DNS-Moleküle werden hindurchgefädelt wie ein Faden durch ein Nadelöhr. Der elektrische Strom verändert sich dadurch: Betritt ein Biomolekül das die Pore, so wird Strom ein wenig kleiner und erlaubt so, das Molekül zu erkennen.
Wissenschaftler haben die Hoffnung anhand der Stromveränderung sogar die Sequenz von DNS-Molekülen, also das Genom, mit dieser Methode auslesen zu können. Damit könnte dieser Vorgang sehr viel schneller und kostengünstiger erfolgen als bisher. Die wäre ein Traum der Medizin der Zukunft. Mit einer schnellen und bezahlbaren Methode zur Bestimmung des Erbgutes, könnte jeder Patient und jede Patientin mit einer individuell zugeschnittenen Therapie behandelt werden.
Wir untersuchen diesen Biomolekültransport durch Nanoporen mit Computersimulationen. Wir möchten herausfinden, wie die Ergebnisse der Experimente verbessert werden können, indem wir die Experimente im Computer nachbauen. In unseren Simulationen kann jedes Detail ausgewertet werden kann und wir können häufig Systeme konstruieren, die experimentell zunächst schwierig zu realisieren sind. Uns interessiert zum Beispiel, wie häufig DNS-Moleküle in die Pore eindringen und mit welchem Mechanismus sie Stromveränderungen bewirken. Die große Herausforderung dabei ist, dass die notwendigen riesigen Simulationen auch auf heutigen Großrechnern nicht machbar sind wenn jedes Atom modelliert werden soll. Wir entwickeln deshalb vergröberte Modelle, mit denen man DNS, Ionen, Wasser und Membran vereinfacht repräsentieren kann. Wir leisten damit einen Beitrag, diese spannenden Sensoren besser zu verstehen und leistungsfähiger zu machen und damit eine bessere medizinische Versorgung möglich zu machen.
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