14.12.2022

Neue Theorie für molekulares Lego

Neu entdeckter Mechanismus erlaubt aktive Beeinflussung der Selbstorganisation.

Aus einzelnen Bausteinen aufgebaute Strukturen können ihre Form verändern und sich selbständig zu einer neuen Konfiguration umgestalten. Die Physiker Saeed Osat und Ramin Golestanian vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbst­organisation entdeckten diesen Mechanismus, mit dem sich die molekulare Organisation aktiv beeinflussen lässt. Ein Keim der neuen gewünschten Konfi­guration reicht aus, um eine Reorgani­sation auszulösen. Dieses Prinzip lässt sich auch auf biologische Bausteine übertragen, die in lebenden Systemen ständig recycelt werden, um neue Strukturen zu bilden.

Abb.: Eine Gruppe von Bausteinen kann spontan zu einer neuen Struktur mit einer...
Abb.: Eine Gruppe von Bausteinen kann spontan zu einer neuen Struktur mit einer neuartigen Konfiguration umgeordnet werden. (Bild: MPI DS / LMP)

Das Konzept des Umbaus ist den meisten Menschen vertraut: Wer schon einmal mit Legosteinen gespielt hat, weiß, dass viele verschiedene Strukturen aus denselben Steinen gebaut werden können. In der Regel beschreibt eine beiliegende Anleitung die Anordnung der einzelnen Steine und die endgültige Form. Auch wenn zu Beginn nur wenige Teile zusammen­gesetzt sind, wird so bereits festgelegt, wie alle anderen Teile angebracht werden müssen. „Unser Modell beschreibt die Neuanordnung von Bausteinen in physika­lischen Systemen anhand einer gegebenen Struktur“, erklärt Saeed Osat. „Wenn nur einige wenige Teile in dieser Struktur verändert werden, fungieren sie als Keimzelle, die zu einer völlig neuen Zusammen­setzung führt.“

Wie in einer Lego-Anleitung gibt es bestimmte Regeln, wie die Steine angeordnet werden müssen. In dem Modell der Wissen­schaftler werden die Anweisungen für den Zusammenbau aus einer Liste möglicher molekularer Wechsel­wirkungen abgeleitet. Diese hängen vom Energie­zustand des Systems, von der Größe des Keims und von den nicht-reziproken Wechsel­wirkungen zwischen den Kompo­nenten ab. „Unter bestimmten Bedingungen können wir dann vielfältige Umstruk­turierungen zu neuen Formen beobachten“, erklärt Ramin Golestanian, Leiter der Abteilung Physik Lebender Materie und Direktor am MPI-DS. „Wir haben eine neue Lernregel identi­fiziert, die Strukturen dazu bringt, ihre Form dynamisch zu verändern, abhängig von den nicht-reziproken Wechsel­wirkungen zwischen ihren Teilen“, sagt er.

In der Biologie findet eine ständige Umordnung von Bausteinen statt. Anstatt komplexe Strukturen als Ganzes zu entsorgen, werden sie in ihre Einzelteile zerlegt, die zum Aufbau neuer Zusammen­setzungen verwendet werden. Das Modell kann daher helfen, die Prinzipien der Selbst­organisation in der lebenden Materie zu verstehen. Ebenso kann dieses Prinzip der synthetischen und autonomen Selbst­organisation außerhalb des Gleich­gewichts dazu dienen, Strategien für die Konstruktion von mole­kularen Robotern zu entwickeln.

MPI-DS / JOL

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