Chemiker*innen lösen molekulares Puzzle

Bei der Untersuchung biologischer Strukturen auf atomarer Ebene fasziniert die Komplexität der Formen und Funktionen, die die Grundlage allen Lebens auf der Erde bilden. Während die Natur im Laufe von Milliarden von Jahren verflochtene Netzwerke von interagierenden molekularen Strukturen entwickelt hat, stehen synthetische Chemiker*innen immer noch vor großen Herausforderungen bei der Synthese komplexer Moleküle. Ein Ansatz ist die mehrstufige organische Synthese, die mühsame und ressourcenintensive Laborarbeit erfordert, oft über viele Jahre hinweg.

Eine andere Strategie nennt sich Selbst-Assemblierung und basiert darauf, eine Gruppe einfacher Bausteine zusammenzubringen, die sich durch schwache und dynamische Wechselwirkungen miteinander zu einem größeren Objekt verbinden. Der Verlauf des Strukturbildungsprozesses wird dann üblicherweise von grundlegenden geometrischen Faktoren kontrolliert, bis alle zufällig aufeinandertreffenden Komponenten ein stabiles Produkt gebildet haben. In diesem Prozess zerfallen fehlerhaft zusammengesetzte, instabile Teile wieder und beteiligen sich an der Bildung des stabilen Endprodukts, bis alle Bausteine verbraucht sind. Dieses Verfahren, das mit einem sich selbst lösenden Puzzle vergleichbar ist, litt bisher oft unter der begrenzten Anzahl verschiedener Bausteine, die im finalen Produkt vereint werden konnten. Wurde bislang versucht, eine größere Vielfalt und Anzahl von Komponenten einzubeziehen, um niedriger symmetrische Anordnungen zu erreichen, die den biologischen Strukturen in Bezug auf Form und Funktion näherkommen, sah man oft die Bildung statistischer Mischungen einer Vielzahl selbst-assemblierter Objekte. Das heißt: Die Bausteine konnten nicht entscheiden, welches Produkt sie bilden sollen, und das molekulare Puzzle ergab keine definierte Lösung.

Zusammenspiel organischer Bausteine mit Metallen kontrolliert

Hier setzt die Forschung der Arbeitsgruppe um Prof. Guido Clever an: Im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projektes RAMSES hat das Team eine Reihe von Strategien entwickelt, um diese Einschränkung zu überwinden und die Wechselwirkung von unterschiedlichen Bausteinen zu kontrollieren. Dadurch wird die strukturelle und funktionale Komplexität dieser molekularen Puzzles erhöht, was diese auch näher an Anwendungen heranführt. Die Gruppe hatte zuvor bereits komplexe Nanostrukturen realisiert, indem sie den Schritt von der Selbst-Assemblierung zu einer Selbst-Sortierung machte. Die dadurch erhaltenen Nanostrukturen können als spezifische Rezeptoren für Biomoleküle, einstellbare optische Werkzeuge und neue Emulgatoren für organische Lösungsmittel dienen. Die Funktionen dieser Systeme basierten jedoch zunächst auf dem Zusammenspiel zwischen nur zwei chemisch unterschiedlichen Bausteinen.

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