Theorie und Simulation gestaltbarer modularer bionischer Proteine

Selbstassemblierung ist ein Strukturbildungsprozess, in dem eine Substanz spontan langlebige definierte Strukturen bildet. Aufgrund eines leicht zugänglichen Grundzustands sind selbstassemblierende Materialien oft weitestgehend defektfrei und zeigen eine hohe Anpassungsfähigkeit an ihre Umgebung. Wegen ihrer zahlreichen potentiellen Anwendungen ist Selbstassemblierung ein vielbeachtetes Thema der aktuellen Materialforschung. Die Erzeugung von Materialien, die sich spontan in frei wählbare Zielstrukturen anordnen, ist jedoch sowohl experimentell als auch theoretisch eine große Herausforderung, da die meisten chemischen Substanzen bevorzugt stark geordnete, kristalline oder ungeordnete, glasartige Strukturen bilden. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, einen theoretischen Rahmen zu definieren, der es ermöglicht, neue, experimentell realisierbare Materialen mit steuerbaren Eigenschaften zu entwickeln. Diese selbstassemblierenden Systeme werden aus einem kleinen Satz modularer Untereinheiten bestehen, die in wohldefinierte Strukturen falten, sobald sie in geeigneter Weise zu Ketten gebunden werden. Die gefalteten Ketten sollen dann ihrerseits selbstassemblieren und komplexe Superstrukturen bilden. Mit einem sorgfältig ausgewählten Satz von Teilchen, welche mit den modernen Methoden der Nanotechnologie erzeugt und manipuliert werden können, wird es möglich sein, unsere theoretischen Vorhersagen direkt in Experimente zu übersetzen. Dazu haben wir bereits eine Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Erik Reimhult, einem Experten in der Synthese und Manipulation von Nanoteilchen an der Universität für Bodenkultur in Wien, initiiert. Das primäre Ziel des Projekts besteht darin, die Faltungsprinzipien natürlicher Proteine auf künstliche Kolloidketten zu übertragen und ihre Faltung durch die Wahl der Teilchensequenz gezielt zu steuern. Die Realisierung dieses Ansatzes wäre ein wichtiger Schritt in der Synthese neuartiger Materialien, da die praktisch unendliche Anzahl von Kombinationsmöglichkeiten einiger weniger Teilchensorten die Erzeugung eines breiten Spektrums von Strukturen erlaubt. Künstliche, modulare und selbstassemblierende Systeme sind zur Zeit nicht verfügbar und das von uns vorgeschlagene System würde somit Neuland erschließen. Die Anwendungen für selbstassemblierende Materialien sind sehr vielfältig und umfassen Katalyse, photovoltaische Materialien oder sogar die Erzeugung spezifischer dreidimensionaler Strukturen, welche die Möglichkeiten der modernen, auf Oberflächenlithographie beruhender Elektronik bedeutend erweitern könnten.

Selbstassemblierung ist der Prozess, bei dem eine Substanz spontan eine spezifische langlebige Konfiguration mit einer wohldefinierten Struktur erreicht. Solche Strukturen können stark inhomogen sein, typischerweise unterscheiden sie sich jedoch von amorphen Materialien, welche dynamisch gehemmt sind. Selbstassemblierende Materialien bilden typischerweise wenige Defekte und haben oft die Fähigkeit sich an ihre Umgebung anzupassen. Die Vielzahl von möglichen Anwendungen macht selbstassemblierende Systeme für die Materialwissenschaften interessant. Sowohl im Experiment als auch in der Theorie ist es eine Herausforderung solche Systeme zu entwickeln, da die meisten Substanzen dazu neigen entweder Kristalle oder amorphe Strukturen zu bilden. Unter Verwendung von Computersimulationen haben wir in diesem Projekt untersucht, wie künstliche Proteine entwickelt werden können, die in spezifische Strukturen falten. Dabei haben wir besonderes Augenmerk auf die grundlegenden Eigenschaften von Proteinen gelegt, welche es ihnen erlauben effizient komplexe Strukturen zu bilden. Unsere Untersuchungen haben allgemeine Gesetzmäßigkeiten für die Faltung von Heteropolymeren aufgezeigt, die es uns ermöglicht haben künstliche biomimetische Heteropolymere zu entwerfen, die mit hoher Genauigkeit sogar verknotete Strukturen bilden können. Wir konnten außerdem zeigen, dass die selben Grundprinzipien auch für natürliche Proteine gelten. Unsere Forschungsergebnisse sind für die Synthese von neuen Materialien bedeutsam, weil sie gezeigt haben, wie mit einer kleinen Anzahl von Bausteinen komplexe Strukturen gebildet werden können. Künstliche modulare selbst-assemblierende Systeme sind zur Zeit nicht verfügbar, unsere theoretische Untersuchungen zeigen aber auf, wie man solche Materialien herstellen könnte. Mögliche zukünftige Anwendungen umfassen Katalyse, photovoltaische Materialien und dreidimensionale Elektronik.