Lebende Materie!

Wed, Jun 19, 2013 by Lars Fischer

Chemie, German, Physics

Die Biologie ist für viele Anwendungen immer noch großes Vorbild und Mittel der Wahl – die Biotechnologie, die lebende Materie für die Technik nutzbar macht, ist eine der wichtigsten und vielseitigsten modernen Industrien. Dabei vergisst man leicht, dass es noch einen zweiten Weg gibt, wie wir die Tricks belebter Materien auf unsere Technik übertragen können: Auf molekularer Ebene sind Organismen auch nichts anderes als chemische Maschinen, deren Prinzipien man auf Werkstoffe übertragen kann – oder ganz neue Eigenschaften ohne natürliches Vorbild erzeugen.

Diese Art der Forschung steht noch ganz am Anfang. Tatsächlich hat sie noch nicht mal einen Namen – oder aber viele davon. Fragt man Jean-Marie Lehn, den Erfinder der supramolekularen Chemie und wohl führenden Denker der damit zusammenhängenden Forschungsrichtungen, heißt das Ziel konstitutionell dynamische Chemie. Anpassungsfähigkeit nämlich ist die wichtigste und beneidenswerteste Eigenschaft des Lebens: Aktiv auf veränderte äußere Bedingungen reagieren und sich für bestimmte Anwendungen quasi züchten lassen sollen sich demnach auch klassische Werkstoffe, die heute noch nach eher ingenieurswissenschaftlichen Prinzipien im Labor entstehen. Doch nicht mehr lange.

Hinter solchen Plänen steht die Erkenntnis, dass es auf mikroskopischer Ebene noch andere Organisationsprinzipien gibt als die Regeln der chemischen Bindung, die Moleküle in sich zusammenhalten. Die schwächeren, aber dadurch auch wesentlich vielseitigeren Kräfte zwischen den Molekülen können Substanzen zu größeren, geordneten Einheiten aus vielen unterschiedlichen Verbindungen organisieren. Daher der Name Supramolekulare Chemie – mit solchen Phänomenen betritt man eine Organisationsebene über den einzelnen Molekülen. Hier herrschen andere Regeln.

Koordinative Bindungen über Metallionen (grau) halten viele supramolekulare Strukturen zusammen, zum Beispiel die metal-organic frameworks, supramolekulare Gitter mit präzise steuerbarer interner Struktur. Bild: M. Stone, CC BY-SA 3.0

Belebte Organismen beherrschen das Spiel der schwachen Bindungen meisterlich. Jede einzelne Zelle besteht aus Molekülen, die sich je nach Bedarf mit anderen Molekülen zu großen Organisationseinheiten zusammentun, eine Funktion ausführen und sich dann wieder trennen. Beispiele dafür sind die Synthese von neuen Proteinen, bei denen sich für jedes neue Eiweiß eine hochkomplexe Maschine aus Proteinen und RNA zusammenfindet, oder auch das System aus Mikrotubuli, die kontinuierlich an ihren Enden auf- und wieder abgebaut werden. Und als Resultat dieser rein chemischen Prozesse bewegt sich die Zelle als Ganzes.

All das, sowohl die Fähigkeit, sich zu großen Aggregaten zusammenzufinden, als auch das nur unter bestimmten, genau regulierten Umständen zu tun, ist bereits in den Komponenten des Systems angelegt. Es gibt keinen großen Plan, in dem ein Operator nachgucken müsste, was bestimmte Moleküle zu bestimmten Zeiten zu tun haben. Diese Selbstorganisation funktioniert allein durch die normalen physikalischen und chemischen Mechanismen, die im Labor selbst einfache Reaktionen in einem Kolben voller brauner Schmiere enden lassen. Umso bemerkenswerter, dass die Reaktionen so selten aus dem Ruder laufen.

Diese Tricks der Selbstorganisation sollen in Zukunft auch unbelebte Werkstoffe vollführen, aber der Weg dorthin ist lang. Was Chemiker bisher an selbst organisierten Strukturen geschaffen haben, ist zwar ganz nett, hält dem Vergleich mit belebten Strukturen nicht stand. Zu komplex sind die Einflüsse, die bei supramolekularen Wechselwirkungen zwischen vielen Partnern beachtet werden wollen. Hier stößt auch das menschliche Design selbst an seine Grenzen: Die Chemie der Zukunft wird wohl nicht mehr rational geplant, sondern – wiederum nach dem Vorbild der Natur – aus wenig spezialisierten Ausgangsformen evolviert.

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