Molekularer Maschinenbau

Moleküle, die sich gezielt steuern lassen, können molekulare Maschinen und damit völlig neue Materialien und medizinische Anwendungen ermöglichen. Aktuelle Erkenntnisse zur Entwicklung und Anwendung solcher Moleküle diskutierten in der vergangenen Woche rund einhundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Schloss Plön. Die viertägige internationale Konferenz bildete die Abschlusstagung des Sonderforschungsbereichs (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“ der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Seit 2007 hat der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) finanzierte Forschungsverbund drei erfolgreiche Förderphasen durchlaufen. Mit zahlreichen Ergebnissen zu schaltbaren Molekülfunktionen wie zum Beispiel der gezielten Aktivierung von Medikamenten am Krankheitsherd oder der Manipulation von Spins in neuen Computerarchitekturen hat der SFB das Forschungsfeld der molekularen Maschinen vorangebracht.

Technische Funktionen, die wir aus unsrem Alltag kennen wie Pumpen, Motoren, Sensoren und Informationsverarbeitung, kontrollieren auch biologische Systeme. Die mikroskopische Welt der Zellen funktioniert nach den ingenieurwissenschaftlichen Prinzipien von Maschinen: Der Energieträger Adenosintriphosphat (ATP) treibt als molekularer Motor verschiedene Zellprozesse an, bestimmte Proteine transportieren ähnlich wie eine Pumpe im Nanoformat Moleküle durch die Zellmembran. Bestimmte Enzyme kontrollieren selbstständig Fehler in unseren Erbinformationen. Mittlerweile versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit, solche molekularen Maschinen mit ähnlichen Funktionen künstlich herzustellen. Durch die Verkleinerung technischer Funktionen erhoffen sie sich ähnliche Effizienzsteigerungen wie sie die Miniaturisierung der Computertechnologie mit sich gebracht hat.
 

Vielseitige Anwendungen: Solartechnik, Energieumwandlung, Medizin

Der SFB 677 der CAU hatte bereits 2007 mit der Erforschung schaltbarer Moleküle, deren Bewegungen gezielt gesteuert werden können, begonnen. „Mit der Hilfe von externen Reizen wie Licht, Temperatur oder Magnetfeldern lassen sich die Struktur und damit die Funktion der Moleküle verändern. Damit konnten wir als erste Arbeitsgruppe weltweit Moleküle effizient zwischen zwei magnetischen Zuständen hin- und herschalten lassen“, erklärt Chemie-Professor Rainer Herges, Sprecher des SFB. Mögliche Einsatzfelder der schaltbaren Moleküle sind Solartechnik, Energieumwandlung oder medizinische Anwendungen. Das Ziel ist zum Beispiel die Entwicklung eines schonenden Kontrastmittels für die MRT-Diagnostik, das sich per Licht im Körper gezielt aktivieren lässt oder neue Materialien, die ihre Ermüdung durch einen Farbwechsel selbst anzeigen. 

Bei der internationalen Konferenz präsentierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Deutschland und Europa aktuelle Forschungsergebnisse zum Forschungsfeld der molekularen Maschinen. Zu den Themen der 30 Vorträge gehörten unter anderem neue Formen der Katalyse, organische Halbleiter und molekulare funktionale Schichten auf Oberflächen, die die Durchlässigkeit oder Leitfähigkeit von Stoffen beeinflussen. Der SFB stellte aus seiner aktuellen Forschung einen kürzlich entwickelten Nanoassembler vor (von assemble, engl. für „zusammenbauen“). „Dieser Molekülverbund kann per Licht gesteuert selbst andere Moleküle bauen. Das war bisher nicht möglich und könnte die Grundlage sein für einen Paradigmenwechsel in der chemischen Synthese von Molekülen“, erklärt Herges, der den Assembler entwickelt hat.
 

Abschlusstagung nach zwölf Jahren erfolgreicher Forschung

Die bereits zum vierten Mal stattfindende Veranstaltung hat sich zu einem internationalen Schwerpunkttreffen der molekularen Nanowissenschaften entwickelt. Neben dem wissenschaftlichen Austausch dient sie der internationalen Vernetzung und der Nachwuchsförderung. In diesem Jahr bildete sie gleichzeitig den Abschluss des SFB. Im Rahmen der Konferenz zieht Herges eine durchweg positive Bilanz vieler Jahre intensiver Forschung: „Durch die enge Zusammenarbeit von Chemie, Physik, Materialwissenschaft und Medizin konnten wir nicht nur zentrale Beiträge zur Entwicklung schaltbarer Moleküle liefern, sondern auch Grundlagenforschung mit praktischer Anwendung kombinieren.“ Denn auch mehrere Ausgründungen sind aus dem SFB heraus entstanden, zum Beispiel zu maßgeschneiderter Lichttechnik für wissenschaftliche Experimente. Außerdem wurden im Verlauf der zwölfjährigen Förderung 388 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht, 76 Doktorandinnen und Doktoranden promoviert und 10 internationale Konferenzen organisiert. Über den gesamten Förderzeitraum finanzierte die DFG den SFB mit 30 Millionen Euro. „Auch wenn der SFB jetzt nach Erreichen der Förderhöchstdauer endet, verfolgen wir das Thema der molekularen Schalter weiter. Die bisherigen Ergebnisse werden in weitere Forschungen fließen“, kündigt Herges an.  

Der SFB 677 war das erste fächerübergreifende Großprojekt auf dem Gebiet der Nanowissenschaften an der CAU und somit die Keimzelle des Kieler Forschungsschwerpunktes „Nano- und Oberflächenwissenschaften“ (Kiel Nano Surface and Interface Science, KiNSIS). Als eine der wissenschaftlichen Säulen prägt er seit fünf Jahren das Forschungsprofil der Landesuniversität Schleswig-Holsteins.

Details, die nur Millionstel Millimeter groß sind: Damit beschäftigt sich der Forschungsschwerpunkt »Nanowissenschaften und Oberflächenforschung« (Kiel Nano, Surface and Interface Science – KiNSIS) an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). Im Nanokosmos herrschen andere, nämlich quantenphysikalische, Gesetze als in der makroskopischen Welt. Durch eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Physik, Chemie, Ingenieurwissenschaften und Life Sciences zielt der Schwerpunkt darauf ab, die Systeme in dieser Dimension zu verstehen und die Erkenntnisse anwendungsbezogen umzusetzen. Molekulare Maschinen, neuartige Sensoren, bionische Materialien, Quantencomputer, fortschrittliche Therapien und vieles mehr können daraus entstehen.
Mehr Informationen auf www.kinsis.uni-kiel.de