Der Bauplan der Natur

Inspiriert von biologischen Systemen versuchen Material­wissen­schafter:innen seit langem, die Selbst­organi­sation zu nutzen, um Nano­materi­alien herzu­stellen. Die Heraus­forderung: Der Prozess schien zufällig und schwer vorher­sehbar. Nun haben Forschende des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) und der Brandeis Univer­sity geome­trische Regeln entdeckt, die als Hauptsteuerung für selbst­organi­sierende Partikel fungieren. Die Ergeb­nisse könnten sich von Protein­design bis hin zu synthe­tischen Nano­maschinen anwenden lassen.

Forschende sind fasziniert davon, wie die Biologie komplexe molekulare Maschinen und Strukturen aus Molekülen baut, die wie Magnete aneinan­der­haften. Aber was steuert dieses grund­legende Phänomen in der Natur? Eine mög­liche Antwort haben nun Maximilian Hübl und Carl Good­rich vom Institute of Science and Techno­logy Austria (ISTA) sowie Daichi Haya­kawa und Thomas Videbaek aus der Gruppe von Benjamin Rogers an der Brandeis Univer­sity. Gemein­sam machten sie sich daran, den Code der moleku­laren Selbst­organi­sation zu knacken und ihn auf die Nano­techno­logie anzuwenden.

„Forschende träumen seit Jahr­zenten davon, die Kraft der moleku­laren Selbst­organi­sation zu nutzen, um maßgeschneiderte Nano­mate­rialien herzu­stellen“, erklärt Goodrich. „Eine große Heraus­forderung bestand jedoch darin, genau vorherzusagen, welche Formen entstehen, wenn Tausende winziger Teile in Bewegung gesetzt werden.“ Mit einem dualen Ansatz, der theore­tische und experi­mentelle Methoden kombiniert, entwickelte und validierte das Team ein Werkzeug, das reali­sierbare Struk­turen von solchen unter­scheidet, die nicht assem­bliert werden können. Wie sich heraus­stellte, hängen die Ergeb­nisse der Selbst­organi­sation von der Geome­trie ab.

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Komplexe Biosysteme entwerfen

Selbstorganisierende Partikel sind für Goodrichs Forschungs­interessen nicht gerade neu. Allerdings war er erst überzeugt, sich direkt mit diesem Thema auseinander­zusetzen, nachdem er einen konkreten Ansatz dafür entwickelt hatte. Seine ursprüngliche Strategie umfasste numerische Berechnungen, darunter automatische Differen­tiation und differen­zierbare Program­mierung. Als Hübl der Goodrich Gruppe am ISTA beitrat, begann er, das Projekt mit demselben Ansatz zu unter­suchen. Schnell fand er jedoch eine allgemeinere und effektivere Methode.

„Mit unserer ursprünglichen Strategie betrachteten wir das Problem, als ob wir uns in einem unbekannten Raum befänden, in völliger Dunkelheit, und mit einer Taschen­lampe herum­suchten. Schließlich stellten wir fest, dass der Raum einen Licht­schalter hatte. Durch das Einschalten des Lichts konnten wir alle Möglich­keiten sehen, die die Selbst­organi­sation bieten kann, aber auch die Bereiche, die sie nicht erreichen kann.“ Es zeigt sich also, dass die Selbst­organi­sation keines­wegs ein zufälliger Prozess in einem riesigen Ozean mathe­mati­scher Mög­lich­keiten ist. Durch die Suche nach dem richtigen Ansatz gelang es dem Team, die Grenzen zwischen realisier­baren und nicht realisier­baren Anord­nungen der Selbst­organi­sation zu klären.

Mit Hübls Methode fokussierte sich das Team darauf, die Konzentra­tionen und Bindungs­energien der sich zusammen­fügenden Partikel zu optimieren. Letztendlich half ihnen dieser Ansatz dabei, zu bestimmen, welche Struk­turen „gestalt­bar“ sind.

„Wir haben die Bindungs­energien als Eingabe für die Berechnung verwendet. Als Ausgabe haben wir bestimmt, welche Strukturen von den Partikeln gebildet werden und in welchen Mengen“, erklärt Hübl. „Dadurch konnten wir Einschrän­kungen identifi­zieren, die verhindern, dass bestimmte Ergeb­nisse bei Partikeln jemals auftreten.“ Ein Beispiel für solche Einschrän­kungen ist, dass es schlichtweg unmöglich sein kann, eine bestimmte Struktur mit einer Ausbeute von einhundert Prozent zu erzielen. In einem solchen Fall könnte eine zusätzliche Struktur entstehen, die das Team als „notwen­dige Chimäre“ bezeichnet – also ein Neben­produkt, das unter diesen Bedingungen thermo­dynamisch unvermeid­bar ist. Goodrich betont: „Unsere Methode könnte erklären, warum es besonders schwierig ist, bestimmte Nano­materi­alien zu entwerfen.“

Maximilian Hübl und Carl Good­rich mit einer ver­ein­fach­ten Spiel­zeug­version des theo­re­ti­schen Mo­dells

Quelle: ISTA

Aber welchen theoretischen Rahmen haben die Wissen­schafter genau identifiziert? Zusammen bilden die berechneten thermo­dy­na­mischen Einschrän­kungen eine verborgene mathematische Form, die den Bereich der möglichen Assem­blierungs-Ergebnisse erfasst: ein „hoch­dimen­sio­nales konvexes Polyeder“. Diese geome­trische Form würde als ‚theore­tisches Regelwerk‘ der Selbst­organi­sation im Gleich­gewicht dienen. Goodrich erklärt: „Die polyedrische Struktur zeigt, dass Assem­blie­rungen im Gleich­gewicht Regeln folgen, die als Werkzeuge für Nanotechnologie und Molekül­design dienen könnten. Diese zugrunde liegende Physik sagt uns, ob eine bestimmte Ziel­struktur überhaupt möglich ist.“

Um die praktische Anwendbarkeit dieser geometrischen Form, die die Selbst­organi­sation bestimmt, zu testen, haben sich die ISTA-Wissen­schafter mit Forschern der Rogers Gruppe in Brandeis zusammen­getan, die Techniken der biologi­schen Physik und der Physik weicher Materie einsetzen, um die Selbst­organi­sation zu verstehen. Sie entwarfen und bildeten dreieckige DNA-Origami-Bausteine und entwickelten Experi­mente, mit denen sie versuchten die Theorie zu validieren. Indem sie einzel­strängige DNA von den Seiten der Dreiecke aus verläng­erten und deren Sequenzen anpassten, um bestimmte Wechsel­wirkungen zu program­mieren, setzten sie eine Reihe theore­tischer Bindungs­regeln experimentell um. „Wir fanden eine bemer­kens­werte quantitative Über­ein­stim­mung zwischen Theorie und Expe­riment, was bestätigte, dass wir tatsäch­lich einige der grund­legenden Regeln der Anordnung aufgedeckt hatten“, erklärt Rogers.

Den Autoren zufolge sind die experimen­tellen Ergebnisse ein klarer Beweis für die prakti­sche Anwend­barkeit der Theorie. „Im Wesent­lichen haben wir unser geometri­sches ‚Regel­werk‘ verwendet, um die experi­men­tellen Ergeb­nisse vorher­zusagen, ohne die Details der Wechsel­wirkungen zu model­lieren. Die Experi­mente stimmten genau mit den vorher­gesagten Ergeb­nissen überein, ohne dass wir irgendeinen Teil der Theorie über­arbeiten oder irgend­welche Faktoren anpas­sen mussten“, fasst Hübl zusammen. Somit hat das ‚theore­tische Regel­werk‘ neben der Identifi­zierung ‚gestalt­barer‘ Struk­turen auch seinen prakti­schen Wert unter Beweis gestellt.

Die zugrunde liegende Geometrie zieht also die Grenze zwischen dem, was gebaut werden kann, und dem, was unmöglich zu schaffen ist, und präsentiert so die Grenzen der Selbst­organi­sation. „Selbst­organi­sation ist diese groß­artige, verrückte Sache, die die Natur voll­bringt. Aber die Theorie von Max erklärt nun, warum einige Versuche, dies nachzu­ahmen, nicht funktio­nieren und wie sie erfolg­reicher gestaltet werden könnten. Es ist, als hätte man eine Blau­pause, die die Grenzen des Spiel­platzes der Natur abbildet. Letzt­endlich könnte dieses Modell als Werk­zeug für Archi­tekt:innen dienen, als eine Art Haupt­bedien­feld für die Gestal­tung von Nano­struk­turen“, sagt Goodrich.

Nach Angaben des Teams werden die Anwen­dungen wahr­schein­lich das inverse Design in einer Viel­zahl von experimen­tellen Umge­bungen umfassen. Dies sind beispiels­weise die de novo-Protein­assem­blie­rung aus kleineren Bau­steinen, DNA-Nano­par­tikel und syn­the­ti­sche Nano­maschi­nen. [ISTA / dre]