08.05.2020 - Albert-Ludwigs-Universität Freiburg

Programmieren mit dem Lichtschalter

Wie sich einzelne Komponenten selbstorganisierender molekularer Strukturen steuern lassen

In der Entwicklung autonomer Systeme und Materialien gewinnen selbstorganisierende molekulare Strukturen, die durch chemische Reaktionsnetzwerke gesteuert sind, zunehmend an Bedeutung. Jedoch fehlt es bisher an einfachen externen Mechanismen, die sicherstellen, dass die Komponenten dieser Reaktionsnetzwerke kontrolliert aktiviert werden. Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Andreas Walther und Prof. Dr. Henning Jessen vom Exzellenzcluster Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) und Jie Deng vom Institut für Makromolekulare Chemie der Universität Freiburg zeigt erstmals, wie sich einzelne Bausteine von selbstorganisierenden Strukturen auf DNA-Basis mit lichtreaktiven Photoschaltern aktivieren und steuern lassen.

Bei der Entwicklung selbstorganisierender Strukturen dienen den Forschern biologische Vorbilder wie die Mikrotubuli. Diese Proteinkomplexe bilden eine dynamische Gerüststruktur in Zellen von Pflanzen, Tieren und Menschen. Aufgrund ihrer selbstorganisierenden Struktur bauen sich die Mikrotubuli ständig zeitgleich auf und ab. Dadurch kann sich das Zellgerüst leicht an veränderte Situationen anpassen und durch Umlagerung der Bausteine schnell auf Reize reagieren. Ähnlich anpassungsfähig sollen künftig auch die Strukturen autonom agierender Materialien sein, wie sie die Wissenschaftler im Exzellenzcluster livMatS entwickeln. Dies kann mit Systemen erreicht werden, in denen eine energetische De- und Aktivierung zum strukturellen Ab- sowie Einbau von Bausteinen erfolgt.

In ihrer Arbeit führen die Freiburger Forscher den DNA-Bausteinen in einem solchen System den Energielieferanten Adenosintriphosphat (ATP) zu. An eine Seite des ATP haben die Wissenschaftler molekulare Photoschalter gesetzt. Diese reagieren auf Licht, indem sie bei gezielter Bestrahlung abfallen und das ATP als wirksames Treibstoffmolekül für das System freigeben. Die Lichtwellenlänge, die Dauer der Bestrahlung und die Lichtstärke beeinflussen dabei die Steuerung der Photoschalter. Die Aktivierung des ATP setzt wiederum einen Prozess in Gang: Eine Bindung, die aus den DNA-Monomeren längere Stränge bildet, wird durch ein Enzym geschlossen. Ein anderes Enzym, das DNA an bestimmten Positionen erkennen und schneiden kann, spaltet die Verbindungsstellen wieder. Auf diese Weise werden die DNA-Bausteine an definierten Stellen getrennt und neu zusammengefügt. Es findet ein gleichzeitiger Auf- und Abbau der Bausteine statt. Im Laufe dieses Prozesses verbinden sich die einzelnen DNA-Bausteine zu einem Polymer.

„Unser langfristiges Ziel ist, unter Ausnutzung des biologischen Treibstoffs ATP synthetische Materialien zu entwickeln, die die Grenze zwischen lebender und toter Materie zumindest verwischen“, erklärt Andreas Walther. „Wenn wir in der Lage sind, ATP als Treibstoff zu nutzen und chemische Energie in Arbeit zu verwandeln, können wir die nächste Generation an Implantatmaterialien entwerfen, die sich aktiv verändern und mit dem Körper wirklich interagieren.“

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Uni Freiburg
  • News

    Förderung für Start-ups im Bereich erneuerbarer Energien in Deutschland und Ostafrika

    Herausforderungen wie Klimawandel und Ressourcenknappheit erfordern weltweite und ständige Innovationen. Um die größtmögliche Wirkung zu erzielen, müssen sich solche Lösungen auch an lokale Umstände anpassen. Mit der gemeinsamen Initiative „Startup|Energy“ fördern die Universität Freiburg u ... mehr

    Von der Biopaste zum Bioplastik

    Eine zähflüssige Biopaste, die sich gut verarbeiten lässt, schnell verfestigt und dafür eignet, selbst komplexe Strukturen im 3D-Druck-Verfahren herzustellen: Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Marie-Pierre Laborie von der Professur für Forstliche Biomaterialien der Universität Freiburg hat ei ... mehr

    Grenzüberschreitung in der Chemie

    Sowohl in der Koordinationschemie als auch in der Metallorganischen Chemie sind Übergangsmetall-Carbonyle eine wichtige und seit Ende des 19. Jahrhunderts bekannte Verbindungsklasse. Hier binden Kohlenstoffmonoxid-Moleküle (CO) an Übergangsmetalle als Zentralatome. Einem Team um Prof. Dr. I ... mehr

  • q&more Artikel

    Modulare Biofabriken auf Zellebene

    Der „gebürtige Bioorganiker“ hatte sich bei seiner Vorliebe für komplexe Molekülarchitekturen nie die klassische Einteilung von synthetischen Polymeren und biologischen Makromolekülen zu eigen gemacht. Moleküle sind nun mal aus Atomen zusammengesetzt, die einen wie die anderen, warum da ein ... mehr

    Lesezeichen

    Aus einer pluripotenten Stammzelle kann sowohl eine Muskel- als auch eine Leberzelle entstehen, die trotz ihres unterschiedlichen Erscheinungsbildes genetisch identisch sind. Aus ein und demselben ­Genotyp können also verschiedene Phänotypen entstehen – die Epigenetik macht es möglich! Sie ... mehr

  • Autoren

    Dr. Stefan Schiller

    Stefan M. Schiller, Jg. 1971, studierte Chemie mit Schwerpunkt Makromolekulare und Biochemie in Gießen, Mainz und an der University of Massachusetts. Er promovierte bis 2003 am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz über biomimetische Membransysteme, es folgten Forschungsaufentha ... mehr

    Julia M. Wagner

    Julia M. Wagner studierte Pharmazie in Freiburg (Approbation 2008). Seit 2008 ist sie Doktorandin und wissenschaftliche Mitarbeiterin im Arbeitskreis von Professor Dr. M. Jung. In ihrer Forschung beschäftigt sie sich mit der zellulären Wirkung von Histon-Desacetylase-Inhibitoren. mehr

    Prof. Dr. Manfred Jung

    Manfred Jung hat an der Universität Marburg Pharmazie studiert (Approbation 1990) und wurde dort in pharmazeutischer Chemie bei W. Hanefeld promoviert. Nach einem Postdoktorat an der Universität Ottawa, Kanada begann er 1994 am Institut für Pharmazeutische Chemie der Universität Münster mit ... mehr