Der erste synthetische, chemisch angetriebene Molekularroboter
Ein merkwürdiges Merkmal der Materie ist, dass sie sich je nach Größe eines Objekts unterschiedlich verhält. Alltägliche Gegenstände in unserer „Makrowelt“ bewegen sich nicht, ohne dass eine physische Kraft auf sie wirkt. Alle molekülgroßen Objekte und die Atome, aus denen sie bestehen, bewegen sie aber ständig nach dem Zufallsprinzip. Das über den Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt MolMacIP wurde durch den wachsenden Konsens in der Chemieforschung inspiriert, dass nicht makroskopische Maschinen nachgeahmt werden sollten (was zum Nobelpreis 2016 geführt hatte), sondern neue, von der Biologie inspirierte, nanoskalige Verfahren. Damit würde nicht nur das Verständnis biologischer Abläufe vertieft, sondern auch die Tür zu neuen lebensähnlichen molekularen Maschinen und Werkstoffen für eine Reihe potenzieller Anwendungen geöffnet. „Unsere funktionierenden experimentellen Entwürfe haben gezeigt, wie chemisch angetriebene molekulare Maschinen hergestellt werden können. Viele Forschende wurden angeregt, ihren Ansatz zu überdenken. Ich glaube nicht, dass wir dazu zurückkehren werden, molekulare Maschinen als Analogien zu makroskopischen Maschinen zu entwerfen“, sagt David Leigh(öffnet in neuem Fenster), Projektkoordinator von MolMacIP.
Die Biologie nachahmen: wie „molekulares Lego“
Molekulare Maschinen können auf bestimmte Aufgaben programmiert werden. Da aber alle molekularen Komponenten bereits in Bewegung sind, bedeutet die Steuerung dieser Bewegung zum Aufbau einer molekularen Maschine, die wie ein Muskel Kraft ausüben kann, dass die Bewegung in alle Richtungen blockiert wird, außer in die gewünschte. „Die Manipulation dieser molekularen Bausteine und die Schaffung verschiedener Anordnungen ist ein bisschen wie das Spielen mit molekularem Lego“, berichtet Leigh von der Universität Manchester(öffnet in neuem Fenster), dem Projektträger. Das MolMacIP-Team befasste sich speziell mit der Entwicklung chemisch angetriebener molekularer Motoren, mit denen Fracht transportiert und andere Aufgaben ausgeführt werden können. „In der Biologie sind molekulare Maschinen an allen Prozessen in der Zelle beteiligt. So wird Kraft erzeugt, Moleküle werden aufgebaut, Energie wird gespeichert und später zur Erfüllung von Aufgaben verwendet“, fügt Leigh hinzu. Das Team demonstrierte die biologische Nachahmung, indem es die ersten chemisch angetriebenen Rotationsmotoren(öffnet in neuem Fenster) herstellte und dabei Grundsätze anwandte, die möglicherweise auch beim Bau von Linearmotoren angewandt werden könnten. „Wir haben die gleichen technischen Konzepte wie bei Motorproteinen beachtet, aber unser künstliches System besteht aus nur 26 Atomen! Motorproteine bestehen aus Zehntausenden von Atomen, was unsere Motormoleküle einfacher und kleiner macht“, erklärt Leigh. Anfang dieses Jahres nutzte das Team diese molekularen Motoren, um Kraft zu erzeugen und ein Gel zusammenzuziehen(öffnet in neuem Fenster), ähnlich wie Motorproteine in Muskeln zur Krafterzeugung führen. Inspiriert von Fließbändern wurde bei einem anderen Entwurf ein zyklisches Molekül auf eine Schiene gefädelt, wie eine Perle auf einer Schnur. Während sich das Molekül entlang der Spur bewegt und verschiedene Bausteine erreicht, löst es diese ab und fügt sie zu einer wachsenden Kette hinzu – ähnlich wie Proteine in der Zelle aufgebaut werden.
Molekulare Maschinen werden eine revolutionäre Technologie sein
Die Geschichte der Innovation lehrt uns, dass die Miniaturisierung in der Regel zu technologischen Fortschritten führt, von der Dampfmaschine bis zur Batterie, vom raumfüllenden Computer bis zum winzigen energieeffizienten Chip. Mit den potenziellen Anwendungen in den Bereichen Energie, Verkehr und Sicherheit könnten molekulare Maschinen zur Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Wirtschaft führen und auch für soziale Themen wie die öffentliche Gesundheit und Nachhaltigkeit eingesetzt werden. „Es ist zwar so, als würde man von den Erfindern steinzeitlicher Räder verlangen, dass sie Autos vorhersagen, aber molekulare Maschinen werden wahrscheinlich die Entdeckung von Wirkstoffen beschleunigen und verbessern und gleichzeitig den Bedarf an Rohstoffen, den Energiebedarf und die Lebenszykluskosten senken“, bemerkt Leigh. Nachdem das MolMacIP-Team die ersten synthetischen Beispiele für chemisch angetriebene molekulare Maschinen geschaffen hat, wird es nun schnellere, effizientere und leistungsfähigere Systeme entwickeln, die nützliche Aufgaben übernehmen können, z. B. chemisch angetriebene Sensoren und Werkstoffe.
