Wie verhalten sich die molekularen Bausteine des Lebens beim Übergang vom Chaos zur Ordnung? Neue Antworten auf diese Schlüsselfrage der Evolution gibt eine neue Studie deutscher Forscher. In der aktuellen Ausgabe des Fachblatts „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ zeigen sie, wie sich aus chaotischen Mischungen von organischen Molekülen hoch geordnete Strukturen formieren. Erstmals konnten dabei Schlüsselmechanismen wie Selbsterkennung, aktive Selektion und Fehlerkorrektur direkt und im Detail beobachtet werden.
Dieser Einblick in die Prozesse der molekularen Selbstorganisation gibt wichtige Impulse für das Verständnis der biologischen Evolution. Darüber hinaus lässt er sich für das nanotechnologische Design gänzlich neuartiger Materialien und Komponenten nutzbar machen, so die Forscher der Max-Planck-Gesellschaft und des Forschungszentrums Karlsruhe.
Schlüsselschritt in der Evolution
Das spontane Entstehen von Ordnung aus zufälligen Gemischen unbelebter, meist molekularer Bausteine heraus ist ein Schlüsselschritt in der Evolution biologischer Materialien. Gesteuert wird diese Selbstorganisation der Materie von den spezifischen Eigenschaften der nur wenige Nanometer großen Moleküle – ein Nanometer = ein Milliardstel Meter). In der „Kommunikation“ der Moleküle wirken diese Eigenschaften wie elementare Algorithmen, die, ähnlich wie in einem Computerprogramm, „ausgelesen“ werden können.
„Die Fähigkeit von Molekülen, sich über Schlüsselprozesse wie aktive Selektion, Selbsterkennung und Fehlerkorrektur zu hoch organisierten Strukturen zu ordnen, ist eine grundlegende Voraussetzung für die Bildung molekularer Systeme bis hin zu biologischen Organismen wie Zellen oder Membranen“, sagt Klaus Kern von der Abteilung für Nanowissenschaft am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart.
Die Forscher um Kern platzierten die Moleküle auf hochreinen Kupferoberflächen und erhitzten die Mischung, um die Beweglichkeit der Bausteine sicherzustellen. „Die Molekülbewegung auf der Oberfläche hat den Vorteil, dass wir die nanoskaligen molekularen Anordnungen mithilfe modernster, höchstempfindlicher Mikroskopieverfahren direkt wahrnehmen können“, erläutert Alexander Langner vom Stuttgarter Max-Planck-Institut die Versuchsanordnung.
Programmierte Bausteine
Die Erzeugung derart winziger Anordnungen, die zum Teil 50 000 mal kleiner sind als ein Haar, ist keine einfache Aufgabe: „Mit konventionellen Verfahren wäre die Fertigung außerordentlich teuer und aufwändig gewesen“, sagt sein Kollege Steven Tait. „Unsere Strategie besteht darin, von uns ‚programmierte‘ Bausteine zu verwenden, die sich dann in Eigenregie zu den gewünschten Strukturen anordnen.“
Für die Planung dieses Selbstorganisationsprozesses war das Team um Mario Ruben vom Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe verantwortlich. Durch gezieltes Design „programmierten“ die Helmholtz-Wissenschaftler die Moleküle mit denjenigen Informationen, die im Selbstorganisationsprozess zum Zuge kommen sollten. „Eine gezielte, sich selbst organisierende Ordnung chaotischer Molekülgemische gelingt nur dann“, so Ruben, „wenn die in die Moleküle eingebauten Programme sorgfältig angelegt und überdies robust genug sind, um die Mechanismen der Selbstselektion, der Selbsterkennung und der aktiven Fehlerkorrektur in Gang zu setzen.“
Das in der Studie erfolgreich erprobte, der Natur abgeschaute Design von Molekülen gibt wichtige Impulse für das Verständnis der biologischen Evolution. Darüber hinaus eröffnet es vielversprechende Möglichkeiten einer programmierbaren Manipulation der Materie auf molekularer Ebene mitsamt der darauf aufbauenden Fertigung gänzlich neuartiger Materialien und Komponenten.
(idw – Forschungszentrum Karlsruhe/MPG, 31.10.2007 – DLO)
