For­schungs­team analysiert mit Farb­stoffen aus Kohlenteer Bio­mo­le­kü­le

Die Farbstofffamilie, mit der Clevers Team arbeitet, hat an Rhein, Ruhr und Wupper eine lange Tradition. Es sind künstliche Farbstoffe, die traditionell aus Kohle – genauer aus Kohlenteer – ge­won­nen wurden. Die frühe chemische Industrie Deutsch­lands, die sich gerade in NRW zu ei­nem der be­deu­tendsten Wirtschaftszweige entwickelte, begann bereits im 19. Jahrhundert mit der Herstellung synthetischer Farbstoffe aus Kohle zum Färben von Textilien, Papier und Kosmetika sowie als Lacke und Tinten. Bei fortgeschritteneren An­wen­dungen wer­den diese künstlichen Farbstoffe zum Beispiel als pH-Indikatoren und Photosensibilisatoren genutzt.

Dr. Irene Regeni, junge Chemikerin in der Fa­kul­tät und Erstautorin der Publikation, be­rich­tet, dass das Team mit mehreren Farben, auch Chromophore genannt, arbeitet: mit Michlers Keton (gelb), Rhodamin B (rosa), Malachitgrün, Methylenblau und Kristallviolett wird somit das Farbspektrum des Regenbogens abgedeckt. Wie funktioniert nun die neue „Farbenlehre“ in der Fa­kul­tät? Prof. Clever und sein Team entwickeln aus den synthetischen Farb­stoffen drei­di­men­sio­na­le Objekte, die nur Nanometer klein sind. Diese Objekte binden an Bio­mo­le­kü­le wie etwa DNA oder Proteine, also Eiweiße. Dadurch kön­nen bestimmte Ei­gen­schaf­ten der Mo­le­kü­le einfacher analysiert wer­den.

Die intensive Farbe der Koh­len­teer­farb­stoffe bleibt er­hal­ten

Das Neue ist, dass die Gruppe um Guido Clever die Chromophore zum ersten Mal in selbstassemblierte Nanokäfige integrieren konnte. Dabei blieb ih­re wichtigste Eigenschaft, näm­lich ih­re intensive Farbe, er­hal­ten. Diese Farben ma­chen eine ent­schei­den­de Eigenschaft der Bio­mo­le­kü­le besser messbar, als sie es nor­ma­ler­wei­se ist: die Chiralität. Chiral ist ein Molekül oder allgemein ein Gegenstand, wenn er nicht mit sei­nem Spiegelbild zur Deckung gebracht wer­den kann – wie etwa unsere Hände. Die Chiralität ist bei­spiels­weise wich­tig in Bezug auf das Zu­sam­men­wir­ken von Medikamenten mit biologischen Strukturen.

Insbesondere in komplexen Mischungen sind die chiralen Signaturen der Mo­le­kü­le schwer auseinanderzuhalten. „Hier kom­men unsere Sonden zum Ein­satz“, sagt Dr. Irene Regeni. „Die Sonden wer­den mit den Biomolekülen – etwa DNA – gemischt. Dabei übertragen die Bio­mo­le­kü­le ih­re chiralen Ei­gen­schaf­ten auf die synthetischen Nanoobjekte. Wegen ihrer starken Farbigkeit lassen sich an­schlie­ßend die Ei­gen­schaf­ten mit Licht auslesen.“ Dafür wird ein Gerät genutzt, das die Drehung von polarisiertem Licht messen kann. Ähnlich funktionieren die Brillen im 3D-Kino.

„Wir kön­nen jetzt eine ganze Farbpalette von solchen Nanokäfigen herstellen“, be­rich­tet Prof. Clever. „Diese kön­nen wir dann bei­spiels­weise als Grundlage für die Ent­wick­lung von selektiven Analysemethoden für DNA oder andere biologische Proben nut­zen.“ Ob und wie diese Grundlagenforschung den Kohlenteerfarbstoffen zu ei­nem Revival in Wirtschaft und Pro­duk­tion verhelfen kann, wird sich zeigen. Schon jetzt versprechen die fundamentalen Ent­wick­lungen Potenzial für An­wen­dungen in den Be­rei­chen nachhaltige Synthesemethoden, neue Ma­te­ri­alien, Bio-Diagnostik bis hin zu DNA-erkennenden Wirkstoffen.

Weiterführende In­for­ma­ti­onen:
Originalpublikation auf Deutsch (open access):
https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202015246

Ansprechpartner für Rückfragen: