31.08.2012 - Ruhr-Universität Bochum

Wenn Elektronik sich wie Mikroorganismen benimmt

Mikrozellen sollen sich selbst zusammensetzen und chemische Reaktionen dirigieren

Der erste Platz in einer hochkompetitiven EU-Ausschreibung zum Thema „Unconventional Computing“ ging an das Kooperationsprojekt „MICREAgents“ unter Federführung von RUB-Professor John McCaskill von der Fakultät für Chemie und Biochemie. Die Forscher wollen autonome elektronische Mikroreagenzien entwickeln, die kaum größer als lebende Zellen sind und sich selbst zusammensetzen. Die intelligenten Mikrozellen werden in wässrige Lösungen gegeben, wo sie chemische und elektronische Information austauschen, um gemeinsam komplexe chemische Reaktionen oder Analysen auszuführen – ganz nach dem Motto „berechnen gleich konstruieren“. Die Technik könnte zum Beispiel in der „Point-of-Care“-Diagnostik, etwa für medizinische Schnelltests, oder zur Synthese von Nanopartikeln eingesetzt werden. Die EU fördert das Forschungsvorhaben im FP7-Programm mit 3,4 Millionen Euro für drei Jahre. Vier Forschergruppen der RUB kooperieren mit Wissenschaftlern von fünf anderen europäischen Universitäten sowie aus Israel und Neuseeland.

Mikro-„Agenten“, die sich selbst zusammensetzen und kommunizieren

Ziel des Projekts ist es, programmierbare elektronische Chemie auf der Mikroskala zu schaffen. Dafür stellen die Forscher sogenannte „lablets“ her, Einheiten mit elektronischen Schaltkreisen auf 3D-Mikrochips, die sich zu MICREAgents (Microscopic Chemically Reactive Electronic Agents) zusammensetzen. Die lablets haben einen Durchmesser von weniger als 100 µm und finden sich selbstständig zu Paaren oder größeren Gruppen zusammen, um dynamische Reaktionskammern zu bilden. Mit ihrer Elektronik kontrollieren sie chemische Prozesse in ihrer unmittelbaren Umgebung, ähnlich wie die genetische Information in Zellen die lokalen chemischen Vorgänge kontrolliert: Sie können Chemikalien selektiv konzentrieren, verarbeiten und wieder in die Lösung abgeben. Der paarweise Zusammenschluss ist reversibel; er erlaubt, Informationen von einem lablet zum anderen zu transferieren.

Elektronische Signale in chemische Prozesse übersetzen

Die lablets sollen Transistoren, Superkondensatoren, Energiewandler und Sensoren enthalten sowie Aktuatoren für die lablet-Trennung und den Chemikalienaustausch. Diese Ausstattung erlaubt es ihnen, elektronische Signale in chemische Konstruktionsprozesse zu übersetzen und die Ergebnisse der Prozesse aufzuzeichnen. Die Chemikalien sind also nicht in einem Reaktor, der die Verarbeitung von außen steuert. Stattdessen werden die intelligenten MICREAgents in die Mixtur aus Chemikalien gegossen und organisieren die chemischen Reaktionen aus dem Inneren heraus.

Berechnungen sind mit Konstruktionsprozessen verwoben

Die intelligenten Mikroreagenzien können zum Beispiel für die Vervielfältigung von Molekülen programmiert werden, oder für andere chemische Prozesse, die aus komplexen Gemischen Chemikalien konzentrieren oder aufreinigen. Sie können Reaktionen in Kaskaden durchführen, detektieren, wann Reaktionen abgeschlossen sind, Produkte transportieren und an bestimmten Orten absetzen. Es handelt sich um einen neuen Weg, Berechnungen und Konstruktion zu verknüpfen. MICREAgents setzen sich nicht nur selbst zusammen, sie sind auch fähig zur Evolution. Damit gehen sie sogar noch über John von Neumanns universelle Konstruktionsmaschine hinaus, die komplexere Maschinen als sich selbst herstellen sollte. Obwohl die nanostrukturierten Einheiten schon bald in der Lage sein werden, ihre chemische und elektronische Information zu replizieren, besteht nicht die Gefahr, dass sie sich unkontrolliert in der Umwelt ausbreiten. Denn ihre Funktion ist abhängig von einem durch uns hergestellten komplexen elektronischen Substrat.

Projektpartner aus der RUB

Prof. Dr. John S. McCaskill (Microsystems Chemistry and Biological Information Technology) arbeitet zusammen mit Prof. Dr. Günter von Kiedrowski (Bioorganische Chemie), Prof. Dr. Jürgen Oehm (Analoge Integrierte Schaltungen) und Dr. Pierre Mayr (Integrierte Systeme). Die Gruppen von Prof. McCaskill und Prof. von Kiedrowski haben schon früher in EU-Projekten kooperiert, um künstliche Zellen zu erforschen. „ECCell“, das im Februar 2012 auslief, legte die Basis für elektrochemische Zellen. In diesem Projekt umgab die Elektronik die Chemie; in MICREAgents drehen die Forscher dieses Verhältnis um: Autonome elektronische Teilchen berechnen chemische Reaktionen.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über RUB
  • News

    Von der Natur inspirierte Oberflächen aus dem 3D-Drucker

    Mittels Laserstrahlung können Forschende winzige Strukturen mit höchster Präzision drucken. Eine Methode, um die Superkräfte von Tieren und Pflanzen nachzuahmen und sie für die Technik zugänglich zu machen. Um auch in extremen Habitaten überleben zu können, haben viele Tiere und Pflanzen im ... mehr

    Plastikbudget: Menschen müssen Plastikemissionen um das 6 bis 7-fache reduzieren

    Wenn Kunststoffe in die Umwelt gelangen, bringt das viele negative Auswirkungen mit sich: Diese reichen von erstickenden Lebewesen über den Transfer innerhalb der Nahrungskette bis zu den physikalischen Auswirkungen auf ein Ökosystem. Hinzu kommen Gefahren durch Freisetzung von Additiven, M ... mehr

    Kupfer wirkt effektiv gegen Sars-Cov-2 auf Oberflächen – Silber nicht

    Kupfer und Silber sind für ihre antibakteriellen Eigenschaften bekannt. Bochumer Forschende haben untersucht, was sie gegen Viren ausrichten. Silber- und Kupferionen machen vielen Krankheitserregern den Garaus. Daher werden zum Beispiel Implantate oder medizinische Instrumente mit diesen Me ... mehr

  • q&more Artikel

    Maßgeschneiderte Liganden eröffnen neue Reaktionswege

    Zum ersten Mal konnte ein effizienter Katalysator für die palladiumkatalysierten C–C-Bindungs-knüpfungen zwischen Arylchloriden und Alkyllithium-Verbindungen gefunden werden. Diese Reaktion ermöglicht einfachere Synthesewege für wichtige Produkte. mehr

    Mit Licht und Strom dem Schicksal einzelner Nanopartikel auf der Spur

    Die Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und Elektrochemie macht einzelne Nanopartikel in flüssigem Medium sichtbar. Hiermit kann die Aktivität von Katalysatoren während ihrer Anwendung ermittelt werden. mehr

    Vibrationsspektroskopie - Labelfreies Imaging

    Spektroskopische Methoden erlauben heute mit bisher unerreichter räumlicher und zeitlicher Auflösung tiefe Einblicke in die Funktionsweise biologischer Systeme. Neben der bereits sehr gut etablierten Fluoreszenzspektroskopie wird in den letzten Jahren das große Potenzial der labelfreien Vib ... mehr

  • Autoren

    Henning Steinert

    Henning Steinert, Jahrgang 1993, studierte an der Carl‑von‑Ossietzky Universität Oldenburg Chemie, wo er sich unter anderem mit der Aktivierung von Si–H-Bindungen an Titankomplexen beschäftigte. Aktuell promoviert er an der Ruhr-Universität Bochum am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II von ... mehr

    Prof. Dr. Viktoria Däschlein-Gessner

    Viktoria Däschlein-Gessner, Jahrgang 1982, studierte Chemie an den Universitäten Marburg und Würzburg und promovierte im Jahr 2009 an der TU Dortmund. Nach einem Postdoc-Aufenthalt an der University of California in Berkeley (USA) leitete sie eine Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe an der Univers ... mehr

    Kevin Wonner

    Kevin Wonner, Jahrgang 1995, studierte Chemie mit dem Schwerpunkt der elektrochemischen Untersuchung von Nanopartikeln an der Ruhr-Universität Bochum und ist seit 2018 Doktorand am Lehrstuhl für Analytische Chemie II von Prof. Dr. Kristina Tschulik im Rahmen des Graduiertenkollegs 2376. Er ... mehr