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Grundlagenforschung zu Nanostrukturen „in Farbe“

For­schungs­team analysiert mit Farb­stoffen aus Kohlenteer Bio­mo­le­kü­le

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Eine Frau und ein Mann stehen in Schutzkleidung in einem Labor © Martina Hengesbach​/​TU Dort­mund
Die Gruppe um Dr. Irene Regeni und Prof. Guido Clever konnte zum ersten Mal mehrere Farben in selbstassemblierte Nanokäfige integrieren.

Ein For­schungs­team der TU Dort­mund um Prof. Guido Clever aus der Fa­kul­tät für Chemie und Che­mi­sche Biologie hat neue viel­ver­sprechende Mög­lich­keiten entdeckt, altbekannte Koh­len­teer­farb­stoffe zur Analyse von Biomolekülen zu nut­zen. Die Er­geb­nisse wurden kürzlich in der re­nom­mier­ten Zeitschrift „An­ge­wand­te Chemie International Edition“ ver­öf­fent­licht. Die Zeitschrift hat die Publikation als „Hot Paper“ aus­ge­wählt und unterstreicht so das Zukunftspotenzial der Methode.

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

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