Die Natur kann es. Ein Kindergartenkind lernt es. Nur dem Chemiker fällt es schwer, einen Knoten zu schlingen.
"Bei einer Synthese nehmen sie ja nicht ein einzelnes Molekül und machen da einen Knoten wie ein Schnürsenkel. Sondern sie haben Milliarden von Molekülen im Kolben und müssen da jetzt die veranlassen, einen Ring oder eine Schleife zu bilden und durch die Schleife muss der restliche Faden des Moleküls hindurchfädeln. Und das ist nicht ganz einfach."
Sagt Professor Fritz Vögtle von der Universität Bonn. Nun ist das Knotenknüpfen mit Molekülen für die Chemiker nicht nur eine selbstverliebte Fingerübung, sondern viele Strukturen sind mit einer Funktion verknüpft. Enzyme wandern beispielsweise in Knotenform durch unseren Körper. Vögtle:
"Da fragt man sich, warum benutzt die Natur so eine komplizierte Struktur. Aber die Natur war erfinderisch in der Evolution und hat versucht, Gruppen wie zum Beispiel die Amid-Gruppe CO-NH in bestimmte Winkeln, in bestimmte Lage zu bringen und das mag der Grund sein, warum in der Natur solche Enzyme verknotet sind. Wenn man die Knoten aufschneidet, wirken die nicht mehr als Enzym, nicht mehr als Katalysator."
Wer aber ebenso effektive und hochselektive Enzyme wie die Natur schaffen will, der muss Knoten können. Fritz Vögtle gehört zu den weltweit besten Knotern unter den Chemikern. Er nutzt dabei eine Strategie der Natur und lässt Moleküle ähnlich denen von natürlichen Eiweißen sich verknoten. Vögtle:
"Es bildet sich ein Faden, der muss dann zu einer Schleife, sozusagen einen Hohlraum bilden. Und der Hohlraum muss jetzt eine Wirtsverbindung sein für einen Gast, für einen neuen Faden, der sich in den Hohlraum begibt und dann durchfädelt."
In den Hohlraum hinein lockt Vögtle den Faden mit einem Trick: sowohl die Schleife als auch der durchzufädelnde Molekülfaden besitzen zahlreiche Bindungen besitzen Molekülgruppen, die sich anziehen. Also durch Selbstorganisation der Molekülgruppen. Vögtle:
"Und so machen wir auch Katenane und Rotaxane "
Katenane sind ineinandergeschlungene Ringe, ähnlich den Gliedern einer Kette und Rotaxane gleichen einem Molekülfaden, der durch ein winziges Nadelöhr gefädelt wurde. Professor Vögtle indes zieht einen ganz anderen Vergleich: Ihn erinnern die Rotaxane an die Geißeln des Coli-Bakteriums. Das lässt seine fadenförmigen Fortsätze rasend schnell rotieren und bewegt sich so fort. Vögtle:
"Die sind wie Propeller und da kann dieses Bakterien kann rechts- oder linksrum diesen Propeller drehen. Und dann bewegt es sich fort wie ein Schiff, vorwärts und rückwärts und so weiter. Und das sind molekulare Maschinen, die existieren. Aber die synthetisch zu produzieren, ist noch nicht so ganz einfach. Und bei Rotaxanen haben sie eine Rotationsbewegung des Fadens im Reif."
Und damit schon das Grundprinzip einer molekularen Maschine. Darin liegt auch die Anziehungskraft, die die makrocyclische Chemie für viele Wissenschaftler ausübt. Mit den ineinandergeschachtelten Ringen, den Ketten und Knoten ahmen sie nicht nur die Natur nach, sondern sie designen sogenannte intelligente Moleküle. Vögtle:
"Um intelligente Moleküle und Strukturen zu haben, möchte man aufgrund von äußeren Anlässen -Zugabe von Metallionen, Änderung der pH oder Licht, schalten mit Licht, irgendwelche Wechselwirkung. Und das würde die großen Maschinen ablösen und man hätte auf einer Oberfläche, die man dehnen könnte, auf einem Plastikstreifen, auf einem Tesafilm oder was, hätte man Milliarden von kleinen Maschinen, die alle dasselbe machen, in eine Richtung laufen und so weiter . Oder die irgendwas was tragen, so wie in Mickeymausfilmen die Ameisen irgendeine eine große Geschichte tragen. Das wäre schon schön."
Noch kämpfen die Chemiker mit den Knoten, müssen sie die rotierenden Fäden wirklich fest in den Ringen befestigen und vor allem ihnen beibringen, sich alle in die gleiche Richtung zu drehen. Trotzdem sind sie überzeugt, dass den Knotanen, wie die neuen Gebilde genannt werden, die Zukunft gehört. Denn mit den ringförmigen Molekülen schlagen die Chemiker die Brücke von der Natur zur Nanotechnologie.
"Bei einer Synthese nehmen sie ja nicht ein einzelnes Molekül und machen da einen Knoten wie ein Schnürsenkel. Sondern sie haben Milliarden von Molekülen im Kolben und müssen da jetzt die veranlassen, einen Ring oder eine Schleife zu bilden und durch die Schleife muss der restliche Faden des Moleküls hindurchfädeln. Und das ist nicht ganz einfach."
Sagt Professor Fritz Vögtle von der Universität Bonn. Nun ist das Knotenknüpfen mit Molekülen für die Chemiker nicht nur eine selbstverliebte Fingerübung, sondern viele Strukturen sind mit einer Funktion verknüpft. Enzyme wandern beispielsweise in Knotenform durch unseren Körper. Vögtle:
"Da fragt man sich, warum benutzt die Natur so eine komplizierte Struktur. Aber die Natur war erfinderisch in der Evolution und hat versucht, Gruppen wie zum Beispiel die Amid-Gruppe CO-NH in bestimmte Winkeln, in bestimmte Lage zu bringen und das mag der Grund sein, warum in der Natur solche Enzyme verknotet sind. Wenn man die Knoten aufschneidet, wirken die nicht mehr als Enzym, nicht mehr als Katalysator."
Wer aber ebenso effektive und hochselektive Enzyme wie die Natur schaffen will, der muss Knoten können. Fritz Vögtle gehört zu den weltweit besten Knotern unter den Chemikern. Er nutzt dabei eine Strategie der Natur und lässt Moleküle ähnlich denen von natürlichen Eiweißen sich verknoten. Vögtle:
"Es bildet sich ein Faden, der muss dann zu einer Schleife, sozusagen einen Hohlraum bilden. Und der Hohlraum muss jetzt eine Wirtsverbindung sein für einen Gast, für einen neuen Faden, der sich in den Hohlraum begibt und dann durchfädelt."
In den Hohlraum hinein lockt Vögtle den Faden mit einem Trick: sowohl die Schleife als auch der durchzufädelnde Molekülfaden besitzen zahlreiche Bindungen besitzen Molekülgruppen, die sich anziehen. Also durch Selbstorganisation der Molekülgruppen. Vögtle:
"Und so machen wir auch Katenane und Rotaxane "
Katenane sind ineinandergeschlungene Ringe, ähnlich den Gliedern einer Kette und Rotaxane gleichen einem Molekülfaden, der durch ein winziges Nadelöhr gefädelt wurde. Professor Vögtle indes zieht einen ganz anderen Vergleich: Ihn erinnern die Rotaxane an die Geißeln des Coli-Bakteriums. Das lässt seine fadenförmigen Fortsätze rasend schnell rotieren und bewegt sich so fort. Vögtle:
"Die sind wie Propeller und da kann dieses Bakterien kann rechts- oder linksrum diesen Propeller drehen. Und dann bewegt es sich fort wie ein Schiff, vorwärts und rückwärts und so weiter. Und das sind molekulare Maschinen, die existieren. Aber die synthetisch zu produzieren, ist noch nicht so ganz einfach. Und bei Rotaxanen haben sie eine Rotationsbewegung des Fadens im Reif."
Und damit schon das Grundprinzip einer molekularen Maschine. Darin liegt auch die Anziehungskraft, die die makrocyclische Chemie für viele Wissenschaftler ausübt. Mit den ineinandergeschachtelten Ringen, den Ketten und Knoten ahmen sie nicht nur die Natur nach, sondern sie designen sogenannte intelligente Moleküle. Vögtle:
"Um intelligente Moleküle und Strukturen zu haben, möchte man aufgrund von äußeren Anlässen -Zugabe von Metallionen, Änderung der pH oder Licht, schalten mit Licht, irgendwelche Wechselwirkung. Und das würde die großen Maschinen ablösen und man hätte auf einer Oberfläche, die man dehnen könnte, auf einem Plastikstreifen, auf einem Tesafilm oder was, hätte man Milliarden von kleinen Maschinen, die alle dasselbe machen, in eine Richtung laufen und so weiter . Oder die irgendwas was tragen, so wie in Mickeymausfilmen die Ameisen irgendeine eine große Geschichte tragen. Das wäre schon schön."
Noch kämpfen die Chemiker mit den Knoten, müssen sie die rotierenden Fäden wirklich fest in den Ringen befestigen und vor allem ihnen beibringen, sich alle in die gleiche Richtung zu drehen. Trotzdem sind sie überzeugt, dass den Knotanen, wie die neuen Gebilde genannt werden, die Zukunft gehört. Denn mit den ringförmigen Molekülen schlagen die Chemiker die Brücke von der Natur zur Nanotechnologie.