Im menschlichen Körper finden sich mehr als 100 000 Proteine. Jede dieser Proteinstrukturen ist anders und  enthält wichtige Informationen für unsere Gesundheit. Daher ist es wichtig, diese Strukturen aufzuklären. Die auf der  Internationalen Raumstation herrschende Mikrogravitation ermöglicht es uns, hochqualitative Kristalle zu züchten, welche die Türen zu neuen Möglichkeiten und Entdeckungen für das Leben auf der Erde öffnen können. Aber wieso Mikrogravitation für Kristallisation so vorteilhaft?

Die charakteristische Eigenschaft von Kristallen ist die regelmäßige Anordnung in allen drei Raumrichtungen, aufgebaut aus den gleichen Teilchen.

Bei Kristallen wiederholen sich die Teilchen aus denen er besteht, in unserem Fall DNA-Origami Strukturen,  hunderttausend Mal oder mehr in einem perfekten Gitter. Wie eine Reihe von Ziegeln an einer Wand, aber in drei Dimensionen. Je perfekter diese Ziegelreihe (oder in unserem Fall die DNA-Origami Strukturen) im Kristall ausgerichtet sind, desto mehr können wir über die Teilchen aus denen der Kristall aufgebaut ist erfahren. 

Optimale Kristallisation wird dadurch realisiert, dass sich die Teilchen von allen Seiten ungehindert anlagern können.  Auf der Erdekönnen sich die Teilchen  oft nicht regelmäßig an einen Nukleationskeim anlagern und keinen homogenen Kristall bilden.

Die Arbeit in Mikrogravitation ermöglicht es uns, zwei störende Effekte die durch die Gravitation der Erde entstehen weitgehend zu eliminieren.

Zum einen den Sedimentationseffekt: Nachdem die Kristallisation begonnen hat, entsteht um die Keimzelle eine Ansammlung von Teilchen – der Kristall . Dieser hat eine größere spezifische Masse und sinkt dadurch ab. Das führt dazu, dass die homogene Anlagerung der Teilchen von allen Seiten nicht mehr möglich ist.

Zum anderen der Konvektionseffekt: In einer viskosen Flüssigkeit, die von einer Seite aus erwärmt oder gekühlt wird, führen Temperaturunterschiede zu thermischer Ausdehnung und Kontraktion. Die daraus resultierenden Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugen Auftriebskräfte, was dazu führt dass Teilchen absinken oder aufsteigen. Diese Bewegung, ausgelöst durch Dichteunterschieden und daraus resultierenden spezifischen Masseunterschieden führen zu einer Verwirbelung derProbe, wodurch das homogene Wachstum des Kristalls gestört wird.  In Mikrogravitation führen spezifische Masseunterschiede zu einer vernachlässigbar kleinen Bewegung der Teilchen, wodurch ein regelmäßiger Kristall ungestört wachsen kann.

Auf der Internationalen Raumstation herrscht Mikrogravitation.  Sedimentations- und Konvektionseffekten sind dort im Vergleich zu Experimenten auf der Erde vernachlässigbar klein.

Deshalb ermöglicht die ISS es uns, einen homogenen makroskopischen 3D Kristall aus DNA-Origami wachen zu lassen, was auf der Erde bis jetzt eine ungelöste Aufgabe ist.

Ein toller Blogbeitrag, in dem erklärt wird wieso Kristallisation in Mikrogravitation für die Medizin wichtig ist (auch mit nettem Video):

https://blogs.nasa.gov/ISS_Science_Blog/2014/03/04/760/

Eure Space Origami Crew